RU2129265C1

RU2129265C1 - Device for examination of processes of filtration and determination of characteristics of fluids and porous bodies

Info

Publication number: RU2129265C1
Application number: RU95100575A
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Белоненко; Евгений Карлович Бюнау; Вячеслав Григорьевич Николашев
Original assignee: Владимир Николаевич Белоненко; Евгений Карлович Бюнау; Вячеслав Григорьевич Николашев
Priority date: 1995-01-12
Filing date: 1995-01-12
Publication date: 1999-04-20
Also published as: RU95100575A

Abstract

FIELD: modeling of filtration and forcing of various fluids through capillary and porous bodies. SUBSTANCE: device has two hydraulic cylinders with pistons installed in bodies. Each hydraulic cylinder is provided with pressure transducer and movement sensor. Pressure chambers of hydraulic cylinders communicate with conduits feeding fluids to butts of bodies housing porous medium. These bodies are put on common base. Drives of pistons ensure translational and rotary motion of pistons with use of pairs screw and nut ". Screws are linked to pistons and to motors. Bodies are spring-loaded by means of elastic members positioned between butt of body and nuts. Pressure transducers of each hydraulic cylinder are made in the form of indicator fixing relative displacement of nut of bodies. Movement sensors are manufactured in the form of indicator fixing relative displacement of pistons and body. EFFECT: provision for measurement of filtration and physical properties of materials and properties of fluids in wide range of pressures under reversible mode according to desired law with low measurement errors. 1 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к технике моделирования процессов фильтрации и вытеснения различных флюидов через капиллярно-пористые тела и определения фильтрационных и других характеристик пористых материалов, тел и флюидов, а также реологических свойств флюидов. Изобретение может быть использовано в геологии, горной, газовой и нефтяной промышленности, а также в любых других областях, где необходимо исследовать процессы фильтрации жидкостей и газов через различные пористые материалы. The invention relates to techniques for simulating the processes of filtration and displacement of various fluids through capillary-porous bodies and determining filtration and other characteristics of porous materials, bodies and fluids, as well as rheological properties of fluids. The invention can be used in geology, mining, gas and oil industries, as well as in any other areas where it is necessary to study the processes of filtering liquids and gases through various porous materials.

Известно устройство для исследования нефтегазоводонасыщенных кернов, содержащее цилиндрический корпус, с торцов которого установлены уплотненные конусами плунжеры с пьезодатчиками и изоляционными прокладками, размещенный в корпусе кернодержатель, выполненный в виде резиновой манжеты и перфорированной гильзы, штуцеры и каналы для подвода и отвода флюидов к керну (См. авт.свид. СССР N 1298367, кл. E 21 B 49/00, 1985 г). A device is known for studying oil and gas-saturated cores containing a cylindrical body, the ends of which are sealed with cones, plungers with piezoelectric sensors and insulating spacers, a core holder placed in the body, made in the form of a rubber cuff and perforated sleeve, fittings and channels for supplying and removing fluids to the core ( Autobot certificate of the USSR N 1298367, class E 21 B 49/00, 1985).

В этом техническом решении подвод и отвод фильтрующих флюидов также осуществляют посредством штуцеров и плунжеров, установленных с противоположных торцов корпуса для размещения керна. Устройство в основном предназначено для измерения скорости упругой волны и электросопротивления и не имеет средств для создания высокого давления. При проведении исследований устройство функционирует в одностороннем режиме, не имея возможности обеспечить реверс исследуемого флюида через керн, что делает невозможным проведение измерений в различные переходных режимах. In this technical solution, the supply and removal of filtering fluids is also carried out by means of fittings and plungers installed from opposite ends of the housing for core placement. The device is mainly designed to measure the speed of an elastic wave and electrical resistance and does not have the means to create high pressure. When conducting research, the device operates in a one-way mode, not being able to provide reverse of the fluid under investigation through the core, which makes it impossible to conduct measurements in various transient modes.

В основу настоящего изобретения положена задача создать устройство для исследования процессов фильтрации и определения характеристик флюидов и пористых материалов, а которым система гидроцилиндров была бы выполнена так, чтобы обеспечить возможность измерения фильтрационных, физических свойств материалов и реологических свойств флюидов в широком диапазоне давлений в реверсном режиме по желаемому закону с низкими погрешностями измерений и таким образом обеспечить многорежимность проведения измерений и повысить их точность и информативность, а также предложено выполнить систему гидроцилиндров так, чтобы имелась возможность изменения состава исследуемого флюида и исследования его реологических свойств при прохождении через пористые материалы и таким образом увеличить многорежимность проведения измерений при повышении точности. The present invention is based on the task of creating a device for studying filtration processes and determining the characteristics of fluids and porous materials, and with which the hydraulic cylinder system would be designed to provide the ability to measure the filtration, physical properties of materials and rheological properties of fluids in a wide pressure range in reverse mode the desired law with low measurement errors and thus ensure multi-mode measurements and increase their accuracy and information activity, and it was also proposed to implement a system of hydraulic cylinders so that it was possible to change the composition of the fluid under study and study its rheological properties when passing through porous materials and thus increase the multimode nature of the measurements with increasing accuracy.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для исследования процессов фильтрации в пористых средах, содержащем корпус для размещения пористой среды и каналы подводов флюиды к торцам корпуса, оно снабжено закрепленными на общем основании двумя гидроцилиндрами с приводами поршней, датчиками давлений и перемещений, напорные каналы гидроцилиндров сообщены с каналами подвода флюида, привод поршня выполнен с возможностью обеспечения поступательно-вращательного движения поршня в виде пары "винт-гайка", при этом винт пары одним концом соединен с поршнем, а другим - с двигателем, корпус каждого гидроцилиндра подпружинен между торцом корпуса и гайкой, датчик давления выполнен в виде индикатора, фиксирующего взаимное смещение корпуса гидроцилиндра и гайки, а датчик перемещения выполнен в виде индикатора, фиксирующего взаимное смещение поршня и корпуса гидроцилиндра. The problem is solved in that in a device for studying filtration processes in porous media, comprising a housing for accommodating a porous medium and fluid supply channels to the ends of the housing, it is equipped with two hydraulic cylinders with piston drives, pressure and displacement sensors, pressure channels of hydraulic cylinders fixed on a common base communicated with fluid supply channels, the piston drive is configured to provide translational-rotational movement of the piston in the form of a screw-nut pair, with the screw of the pair at one end connected to the piston, and the other to the engine, the body of each hydraulic cylinder is spring-loaded between the end of the body and the nut, the pressure sensor is made in the form of an indicator fixing the mutual displacement of the cylinder body and the nut, and the displacement sensor is made in the form of an indicator fixing the mutual displacement of the piston and the cylinder body .

Кроме того, устройство для исследования процессов фильтрации в пористых средах может быть снабжено третьим гидроцилиндром, закрепленным на общем основании и связанным с корпусом для размещения пористой среды между двумя гидроцилиндрами, при этом третий гидроцилиндр имеет привод в виде "винт-гайка, датчик перемещения, а корпус гидроцилиндра подпружинен упругим элементом. In addition, a device for studying filtration processes in porous media can be equipped with a third hydraulic cylinder mounted on a common base and connected to a housing for placing a porous medium between two hydraulic cylinders, while the third hydraulic cylinder has a screw-nut drive, a displacement sensor, and the cylinder body is spring loaded with an elastic element.

Благодаря данному устройству удается определить влияние на реологические свойства жидкости дозированных добавок других веществ: присадок к маслам, поверхностно-активных веществ и т.п., которые могут быть введены при заданных давлениях и темпах перемещения, а также определить реологические, фильтрационные и PVT свойства флюидов при прохождении через пористые материалы при заданных давлениях и перепадах давления, например, исследовать фильтрацию масел или каких-либо компонентов фильтрами, определять фильтрационные свойства пластовых флюидов и образцов горных пород, а также влияние на процессы фильтрации различных добавок, режимов изменения давления, температуры и т. д. Использование при этом трех гидроцилиндров позволяет более достоверно моделировать процессы в углеводородосодержащих пластах при их разработке, например, при заводнении, или поддержании пластового давления, например, закачкой CO₂, или при закачке, а также проведения гидроразрыва пласта, различных вытесняющих агентов и растворителей и т.д.Thanks to this device, it is possible to determine the effect on the rheological properties of liquids of dosed additives of other substances: oil additives, surfactants, etc., which can be introduced at given pressures and rates of movement, and also to determine the rheological, filtration and PVT properties of the fluids when passing through porous materials at given pressures and pressure drops, for example, examine the filtration of oils or any components by filters, determine the filtration properties of reservoir fluids uids and rock samples, as well as the effect on the filtration processes of various additives, pressure, temperature, etc. The use of three hydraulic cylinders allows more reliable modeling of processes in hydrocarbon-containing formations during their development, for example, during flooding, or maintaining reservoir pressure, for example, by injection of CO ₂ , or during injection, as well as hydraulic fracturing, various displacing agents and solvents, etc.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения станут понятными во время последующего рассмотрения проведенных вариантов осуществлении изобретения со ссылками на прилагаемых чертежах. These advantages, as well as the features of the present invention will become apparent during a subsequent review of the embodiments of the invention with reference to the accompanying drawings.

Данное техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 - изображено устройство для исследования процессов фильтрации в пористых средах; на фиг. 2 - проведена качественная взаимосвязь давления и объема жидкости для первого гидроцилиндра устройства для исследования процессов фильтрации в пористых средах; на фиг. 3 - то же, что на фиг. 2 для второго гидроцилиндра; на фиг. 4 - зависимость давления от объема жидкости в режиме движений поршня с большим напором и расходом жидкости при малом гидростатическом давлении для первого гидроцилиндра; на фиг. 5 - то же, что на фиг. 4, для второго гидроцилиндра; фиг. 6 - качественная зависимость давления и объема жидкости в режиме движения поршня с малым напором и расходом при высоком гидростатическом давлении для первого гидроцилиндра; на фиг. 7 - то же, что фиг. 6, для второго гидроцилиндра; фиг. 8 - то же, что фиг. 1, с дополнительно введенным третьим гидроцилиндром; фиг. 9 - пористая среда, представляющая собой, например, керн. This technical solution is illustrated by drawings, where in FIG. 1 - shows a device for studying filtration processes in porous media; in FIG. 2 - a qualitative relationship between pressure and volume of fluid for the first hydraulic cylinder of the device for studying filtration processes in porous media; in FIG. 3 is the same as in FIG. 2 for a second hydraulic cylinder; in FIG. 4 - the dependence of pressure on the volume of fluid in the mode of movement of the piston with high pressure and flow rate at low hydrostatic pressure for the first hydraulic cylinder; in FIG. 5 is the same as in FIG. 4, for a second hydraulic cylinder; FIG. 6 is a qualitative dependence of the pressure and volume of the liquid in the mode of movement of the piston with a low pressure and flow at high hydrostatic pressure for the first hydraulic cylinder; in FIG. 7 is the same as FIG. 6, for a second hydraulic cylinder; FIG. 8 is the same as FIG. 1, with an additionally introduced third hydraulic cylinder; FIG. 9 - porous medium, which is, for example, a core.

Устройство для исследования процессов фильтрации в пористых средах (фиг. 1) содержит два гидроцилиндра 1 и 2, связанные между собой корпусом для размещения пористой среды. Гидроцилиндры 1 и 2 имеют поршни 4 и 5, установленные в корпусах 6 и 7 соответственно. Каждый из гидроцилиндров 1 и 2 снабжен датчиком давления 8 и 9, показанном на фиг.1 стрелками XP1 и XP2, и датчиком перемещения 10 и 11, показанном на фиг.1 стрелами XV1 и XV2. A device for studying filtration processes in porous media (Fig. 1) contains two hydraulic cylinders 1 and 2, interconnected by a housing for accommodating a porous medium. Hydraulic cylinders 1 and 2 have pistons 4 and 5 installed in the housings 6 and 7, respectively. Each of the hydraulic cylinders 1 and 2 is equipped with a pressure sensor 8 and 9, shown in FIG. 1 by arrows XP1 and XP2, and a displacement sensor 10 and 11, shown in FIG. 1 by arrows XV1 and XV2.

Гидроцилиндры 1 и 2 могут быть выполнены для высокого давления (до 350 и более МПа). Корпуса 6 и 7 закреплены на общем основании 12. Привод поршня 4 обеспечивает поступательно-вращательное движение поршня 4 посредством пары "винт 13 - гайка 14" и соответственно привод поршня 5 - посредством пары "винт 15 - гайка 16". Винт 13 подсоединен к поршню 4 и к двигателю 17, а винт 15 - к поршню 5 и к двигателю 18. Корпуса 6 и 7 подпружинены упругими элементами 19 и 20, расположенными между торцом корпуса 6 и гайкой 14 и между торцом корпуса 7 и гайкой 16 соответственно. Датчики давления 8 и 9 выполнены для каждого из гидроцилиндров 1 и 2 в виде индикатора, фиксирующего взаимное смещение (не показан) гайки 14 и корпуса 6, а также гайки 16 и корпуса 7 соответственно. Датчики перемещения 10 и 11 выполнены для каждого из гидроцилиндров 1 и 2 в виде индикатора, фиксирующего взаимные смещения (не показан), поршня 4 и корпуса 6, а также поршня 5 и корпуса 7 соответственно. Hydraulic cylinders 1 and 2 can be made for high pressure (up to 350 and more MPa). The housings 6 and 7 are fixed on a common base 12. The piston 4 drive provides the translational-rotational movement of the piston 4 by means of a pair of "screw 13 - nut 14" and, accordingly, the piston 5 drive by means of a pair of "screw 15 - nut 16". The screw 13 is connected to the piston 4 and to the engine 17, and the screw 15 is connected to the piston 5 and to the engine 18. The housings 6 and 7 are spring loaded with elastic elements 19 and 20 located between the end of the housing 6 and the nut 14 and between the end of the housing 7 and the nut 16 respectively. Pressure sensors 8 and 9 are made for each of the hydraulic cylinders 1 and 2 in the form of an indicator fixing the mutual displacement (not shown) of the nut 14 and the housing 6, as well as the nuts 16 and the housing 7, respectively. Displacement sensors 10 and 11 are made for each of the hydraulic cylinders 1 and 2 in the form of an indicator fixing mutual displacements (not shown), the piston 4 and the housing 6, as well as the piston 5 and the housing 7, respectively.

На фиг. 1 также показана термостат 21; редукторы 22 и 23 для двигателей 17 и 18 соответственно; направляющие 24 и 25 для корпусов 6 и 7 соответственно; направляющие 26 и 27 для гаек 14 и 16 соответственно, выполненных в корпусах 28 и 29 приводов; упоры 30, 31 и 32, 33; уплотнения 34 и 35; пробки 36 и 37 заливных отверстий в корпусах 6 и 7 гидроцилиндров 1 и 2 соответственно. In FIG. 1 also shows a thermostat 21; gearboxes 22 and 23 for motors 17 and 18, respectively; guides 24 and 25 for housings 6 and 7, respectively; guides 26 and 27 for nuts 14 and 16, respectively, made in the housings 28 and 29 of the drives; emphasis 30, 31 and 32, 33; seals 34 and 35; plugs 36 and 37 of the filler holes in the housings 6 and 7 of the hydraulic cylinders 1 and 2, respectively.

В качестве индикатора перемещения может быть использован любой известный, подходящий по точности индикатор, например датчик линейных перемещений с электрическим выходом МТ12 или МТ60 фирм, изготовитель NEIDENHAIN DE. Датчики давления 8 и 9 преобразуют линейное перемещение XP1 и XP2 упругих элементов 19 и 20 в электрический сигнал, пропорциональный давлению исследуемой жидкости в гидроцилиндрах 1 и 2 соответственно. Датчики перемещения 10 и 11 преобразуют линейные перемещения поршней 4 и 5 относительно корпусов 6 и 7 гидроцилиндров 1 и 2, т.е. размеры меры X1, X2, в электрический сигнал, пропорциональный объемам P1 и P2 флюидов, заключенных в гидроцилиндрах 1 и 2 соответственно. As a movement indicator, any known indicator suitable for accuracy can be used, for example, a linear displacement sensor with electrical output МТ12 or МТ60 manufactured by NEIDENHAIN DE. Pressure sensors 8 and 9 convert the linear movement XP1 and XP2 of the elastic elements 19 and 20 into an electrical signal proportional to the pressure of the liquid under investigation in hydraulic cylinders 1 and 2, respectively. Displacement sensors 10 and 11 convert the linear movements of the pistons 4 and 5 relative to the bodies 6 and 7 of the hydraulic cylinders 1 and 2, i.e. dimensions measure X1, X2, in an electrical signal proportional to the volumes P1 and P2 of fluids enclosed in hydraulic cylinders 1 and 2, respectively.

Работает устройство (фиг. 1) следующим образом. The device operates (Fig. 1) as follows.

Жидкость через отверстия, закрываемые пробками 36, 37, заливается в полости гидроцилиндров 1, 2. При этом поршень одного из гидроцилиндров, например поршень 4, отведен в крайнее положение так, что объем исследуемой жидкости в его гидроцилиндре 1 максимален, а поршень 5 гидроцилиндра 2 отведен в другое крайнее положение так, что объем исследуемой жидкости гидроцилиндра 2 минимален. Затем включается привод поршня 4 гидроцилиндра 1. При этом двигатель 17 через редуктор 22 вращает винт 13 и соединенный с ним поршень 4, который относительно неподвижного корпуса 6 гидроцилиндра 1 совершает поступательно-вращательное движение. При этом вращательная составляющая движения поршня 4 исключает трение покоя и снижает трение скольжения между уплотнением 34 и поршнем 4 при его поступательном движении относительно уплотнения 34. Гайка 14 благодаря упорам 32, скользящим по пазам направляющим 26 в корпусе 28 привода не вращается, обеспечивая тем самым поступательно-вращательное движение винта 13 с поршнем 4 и поступательное движение корпуса 28 привода, например, вверх относительно неподвижного гидроцилиндра 1, если он установлен вертикально (фиг. 1). При движении поршня 4 относительно корпуса 6 возникают силы сопротивления, в том числе приложенные к торцу поршня 4 вдоль его оси. Эти силы обусловлены статическим давлением жидкости при ее сжатии в гидроцилиндре 1 или при ее течении с напором через корпус 3 или от того и другого одновременно. The liquid through the openings closed by plugs 36, 37 is poured into the cavity of the hydraulic cylinders 1, 2. In this case, the piston of one of the hydraulic cylinders, for example, the piston 4, is diverted to the extreme position so that the volume of the investigated liquid in its hydraulic cylinder 1 is maximum and the piston 5 of the hydraulic cylinder 2 diverted to another extreme position so that the volume of the investigated fluid of the hydraulic cylinder 2 is minimal. Then the drive of the piston 4 of the hydraulic cylinder 1 is turned on. In this case, the engine 17 through the gearbox 22 rotates the screw 13 and the piston 4 connected to it, which rotationally rotates relative to the stationary housing 6 of the hydraulic cylinder 1. In this case, the rotational component of the movement of the piston 4 eliminates the rest friction and reduces sliding friction between the seal 34 and the piston 4 when it is translationally moving relative to the seal 34. Thanks to the stops 32, the nut 14 does not rotate by the guides 32 sliding along the grooves in the drive housing 28, thereby providing translational the rotational movement of the screw 13 with the piston 4 and the translational motion of the drive housing 28, for example, upward relative to the stationary hydraulic cylinder 1, if it is installed vertically (Fig. 1). When the piston 4 moves relative to the housing 6, resistance forces arise, including those applied to the end face of the piston 4 along its axis. These forces are due to the static pressure of the liquid when it is compressed in the hydraulic cylinder 1 or during its flow with pressure through the housing 3 or from both at the same time.

Данные силы уравновешиваются деформацией упругого элемента 19. При этом удлинение упругого элемента 19 в виде изменения размера XP1 измеряется датчиком 8 давления, электрический сигнал с которого пропорционален текущему значению давления P1 в гидроцилиндре 1. Линейное перемещение поршня 4 относительно корпуса 6 в виде изменения размера XV1 измеряется датчиком перемещения 10, электрический сигнал с которого пропорционален текущему значению объема V1 жидкости, еще не вытесненной из полости гидроцилиндра 1. При достижении заданного гидростатического давления P в жидкости привод поршня 4 выключается путем отключения двигателя 17. При этом новое значение объема V1 исследуемой жидкости в гидроцилиндре 1, уменьшенное за счет ее сжимаемости и деформации упругого элемента 20 и при водапоршня 4 при выравнивании давлений в полостях гидроцилиндров 1 и 2, будет зафиксировано в виде соответствующего электрического сигнала с датчика 10 перемещения XV1. Точно также известно и новое значение объема V2 жидкости в гидроцилиндре 2. Затем одновременно включаются приводы поршней 4 и 5. These forces are balanced by the deformation of the elastic element 19. In this case, the elongation of the elastic element 19 in the form of a change in size XP1 is measured by a pressure sensor 8, the electric signal from which is proportional to the current value of pressure P1 in the hydraulic cylinder 1. The linear movement of the piston 4 relative to the housing 6 in the form of a change in size XV1 is measured displacement sensor 10, the electric signal from which is proportional to the current value of the volume V1 of the liquid, not yet displaced from the cavity of the hydraulic cylinder 1. Upon reaching the specified hydrostatic of the pressure P in the fluid, the piston drive 4 is turned off by turning off the engine 17. In this case, the new value of the volume V1 of the test fluid in the hydraulic cylinder 1 is reduced due to its compressibility and deformation of the elastic element 20 and when the water piston 4 is equalized when the pressure is equalized in the cavities of the hydraulic cylinders 1 and 2, will be detected as the corresponding electrical signal from the sensor 10 displacement XV1. The new value of the fluid volume V2 in the hydraulic cylinder 2 is also known. Then, the piston drives 4 and 5 are simultaneously turned on.

При этом поршень 4 движется в направлении уменьшения объема жидкости в гидроцилиндре 1, а поршень 5 - в направлении увеличения объема жидкости в гидроцилиндре 2. При этом гидроцилиндры 1 и 2 остаются неподвижными, а корпус 28 привода поршня 4 поднимается, а корпус привода 29 поршня 5 опускается. In this case, the piston 4 moves in the direction of decreasing the volume of fluid in the hydraulic cylinder 1, and the piston 5 moves in the direction of increasing the volume of fluid in the hydraulic cylinder 2. In this case, the cylinders 1 and 2 remain stationary, and the housing 28 of the drive of the piston 4 rises, and the housing of the drive 29 of the piston 5 falls.

Закон управления перемещениями поршней 4 и 5 может быть выбран произвольным, в том числе, например, таким, чтобы поддерживать постоянным объем VP жидкости, достигнутый при первоначальном сжатии жидкости до давления P. При таком законе управления исследуемая жидкость известного объема VP при заданном гидростатическом давлении P перетекает с напором через корпус 3 заданной длины 1 и диаметра d с заданным и контролируемым расходом QP, пропорциональным скорости движения XV1=XV2 поршней 4 и 5. При перетекании вязкой жидкости через корпус 3 с напором, обусловленным движениями поршней 4 и 5 в гидроцилиндре 1 развивается давление P1, превышающее первоначальное гидростатическое давление P, а в гидроцилиндре 2 - давление P2, меньше чем первоначальное гидростатическое давление P. Это приведет к изменению положения равновесия упругих элементов 19 и 20 соответственно, к изменению размеров XP1 и XP2 для этих упругих элементов, что в свою очередь к изменению электрических сигналов соответствующих датчиков давлений 8 и 9, пропорциональных фактическому значению давлений в гидроцилиндрах 1 и 2. При достижении одним из поршней, например поршня 4, крайнего положения, соответствующего наиболее полному перетеканию жидкости через корпус 3 из гидроцилиндра 1 в гидроцилиндр 2 приводы поршней 4 и 5 одновременно останавливаются и один цикл работы заканчивается. При необходимости, в зависимости от задач исследования второй цикл может быть осуществлен совершенно аналогично первому при синхронном реверсе приводов гидроцилиндров 1 и 2. Такое циклическое синхронное движение поршней 4 и 5 может проводиться многократно в виде серий для различных температур и статических давлений. При этом для каждого из гидроцилиндра 1 и 2 возможно зафиксировать весь процесс подготовки и проведения реологических испытаний, а именно:
а) процесс установления требуемого гидростатического давления;
б) переходные процессы, связанные с началом движения и остановкой поршней 4 и 5;
в) установившийся процесс напорного течения вязкой жидкости.The law of control of the movements of the pistons 4 and 5 can be chosen arbitrarily, including, for example, such as to maintain constant the volume of liquid VP achieved by initially compressing the liquid to pressure P. With this control law, the studied liquid of known volume VP at a given hydrostatic pressure P flows with pressure through the housing 3 of a given length 1 and diameter d with a given and controlled flow rate QP proportional to the speed of movement XV1 = XV2 of the pistons 4 and 5. When flowing a viscous fluid through the housing 3 with a pressure, the shoes By the movements of the pistons 4 and 5 in the hydraulic cylinder 1, the pressure P1 exceeds the initial hydrostatic pressure P, and in the hydraulic cylinder 2 the pressure P2 is less than the initial hydrostatic pressure P. This will lead to a change in the equilibrium position of the elastic elements 19 and 20, respectively, to a change in size XP1 and XP2 for these elastic elements, which in turn leads to a change in the electrical signals of the corresponding pressure sensors 8 and 9, proportional to the actual value of the pressures in the hydraulic cylinders 1 and 2. When reaching about it from the pistons, e.g. piston 4, the end position corresponding to the fullest fluid from flowing through the housing 3 of the cylinder 1 to cylinder 2 drives the pistons 4 and 5 are stopped simultaneously, and one cycle of operation is terminated. If necessary, depending on the objectives of the study, the second cycle can be carried out in exactly the same way as the first with synchronous reversal of the actuators of hydraulic cylinders 1 and 2. Such a cyclic synchronous movement of the pistons 4 and 5 can be carried out repeatedly in the form of series for different temperatures and static pressures. Moreover, for each of the hydraulic cylinders 1 and 2, it is possible to fix the entire process of preparation and conduct of rheological tests, namely:
a) the process of establishing the required hydrostatic pressure;
b) transients associated with the start of movement and stopping of the pistons 4 and 5;
c) the steady-state process of pressure flow of a viscous fluid.

На фиг. 2 и 3 более детально показана качественная картина изменений параметров P и V в каждом из гидроцилиндров 1 и 2 соответственно, на примере первого (сплошная линия) и второго (пунктир) циклов работы. In FIG. Figures 2 and 3 show in more detail a qualitative picture of changes in the parameters P and V in each of the hydraulic cylinders 1 and 2, respectively, using the first (solid line) and second (dashed) operation cycles as an example.

На фиг. 2 и 3 обозначены:
VO1 и VO2 - первоначальное значение объемов жидкости в гидроцилиндрах 1 и 2 после заливки. Участок 1-2 - повышение гидростатического давления до Po. Участок - 2-3 - переходный процесс, связанный с началом синхронного движения поршней 4, 5. Участок 3-5 - зона установившихся значений давлений P1 и P2 при синхронном движении поршней 4, 5 с постоянной скоростью XV1=XV2 и, следовательно, с постоянным расходом. Точка 4 - область наиболее точных измерений коэффициента вязкости ньютоновских жидкостей. Участок 5-6 - переходный процесс, связанный с синхронной остановкой поршней 4, 5. Участок 6-7 - переходный процесс, связанный с синхронным реверсом поршней 4, 5. Участок 7-9 - зона установившихся значений давления P1 и P2 при синхронном движении поршней 4, 5 при их обратном ходе. Участок 9-2 - переходный процесс, связанный с синхронной остановкой поршней 4, 5.In FIG. 2 and 3 are indicated:
VO1 and VO2 - the initial value of the volume of fluid in hydraulic cylinders 1 and 2 after filling. Section 1-2 - increase in hydrostatic pressure to Po. Section 2-3 is a transient process associated with the beginning of the synchronous movement of the pistons 4, 5. Section 3-5 is the zone of steady-state pressure values P1 and P2 with the synchronous movement of the pistons 4, 5 with a constant speed XV1 = XV2 and, therefore, with a constant expense. Point 4 is the region of the most accurate measurements of the viscosity coefficient of Newtonian fluids. Section 5-6 - the transition process associated with the synchronous stop of the pistons 4, 5. Section 6-7 - the transition process associated with the synchronous reverse of the pistons 4, 5. Section 7-9 - the zone of steady-state pressure values P1 and P2 with synchronous movement of the pistons 4, 5 during their reverse stroke. Section 9-2 - the transition process associated with the synchronous stop of the pistons 4, 5.

По результатам испытаний исследуемых жидкостей, например ньютоновских, может быть вычислено значение коэффициента динамической вязкости по известной формуле Пуазеля. According to the test results of the studied liquids, for example Newtonian, the value of the dynamic viscosity coefficient can be calculated according to the well-known Poisel's formula.

Могут быть выбраны различные законы управления синхронным движением поршней 4 и 5, например, режим движений с большим напором и расходом жидкости в корпусе 3 при малом гидростатическом давлении Po, см. фиг. 4 и 5, или движение с малым напором и расходом при высоком статическом давлении Po, см. фиг. 6 и 7. Various laws of controlling the synchronous movement of the pistons 4 and 5 can be selected, for example, the mode of movement with a large pressure and fluid flow in the housing 3 at a low hydrostatic pressure Po, see FIG. 4 and 5, or movement with low pressure and flow at high static pressure Po, see FIG. 6 and 7.

Могут быть выбраны и другие законы управления движением поршней 4, 5, например, асинхронное движение, т.е. движение с разными скоростями и фазами, так что в процессе одного цикла будут переменными и статическое давление и расход и перепад давлений на корпусе 3. Other laws for controlling the movement of the pistons 4, 5, for example, asynchronous motion, i.e. movement with different speeds and phases, so that in the course of one cycle both the static pressure and the flow rate and the pressure drop across the housing 3 will be variable.

Таким образом, устройство, выполненное в соответствии с настоящим изобретением, позволяет увеличить многорежимность проведения измерений при повышении их точности, т.к. количество проведения циклов по различным законам не ограничено, и в процессе исследований могут определены среднестатические погрешности, вносимые при работе каждым из гидроцилиндров 1 и 2 и в совместно друг с другом при одинаковых или меняющихся условиях. Thus, the device made in accordance with the present invention, allows to increase the multi-mode measurements when increasing their accuracy, because the number of cycles according to various laws is not limited, and in the process of research the average statistical errors introduced by each of the hydraulic cylinders 1 and 2 and in conjunction with each other under the same or changing conditions can be determined.

В частном случае выполнения устройства (фиг. 8) оно снабжено третьим гидроцилиндром 41, связанным с корпусом 3 между двумя гидроцилиндрами 1 и 2 на фиксированном расстоянии от концов корпуса 3 (места подсоединения к корпусу 3 гидроцилиндров 1 и 2). Корпус 42 третьего гидроцилиндра 41 закреплен на общем основании 12. Привод поршня 43 выполнен с возможностью поступательно-вращательного движения поршня 43 посредством пары "винт 44 - гайка 45", подсоединенной винтом 44 в поршню 43 и двигателю 46. Корпус 42 третьего гидроцилиндра 41 подпружинен упругим элементом 47, расположенным между торцами корпуса 42, гидроцилиндра 41 и гайки 45, датчик давления 48 выполнен в виде индикатора, фиксирующего взаимные смещения (на фиг. 8 не показан) гайки 45 и корпуса 42, а датчик перемещения 49 выполнен в виде индикатора, фиксирующего взаимные смещения поршня 43 и корпуса 42. In the particular case of the device (Fig. 8), it is equipped with a third hydraulic cylinder 41 connected to the housing 3 between the two hydraulic cylinders 1 and 2 at a fixed distance from the ends of the housing 3 (the connection point to the housing 3 of the hydraulic cylinders 1 and 2). The housing 42 of the third hydraulic cylinder 41 is mounted on a common base 12. The piston 43 is driven by the rotational movement of the piston 43 through a pair of "screw 44 - nut 45" connected by a screw 44 to the piston 43 and the motor 46. The housing 42 of the third hydraulic cylinder 41 is spring loaded with elastic an element 47 located between the ends of the housing 42, the hydraulic cylinder 41 and the nut 45, the pressure sensor 48 is made in the form of an indicator fixing the mutual displacements (not shown in Fig. 8) of the nut 45 and the housing 42, and the displacement sensor 49 is made in the form of an indicator, a fix mutual displacement of the piston 43 and the housing 42.

Таким образом, третий гидроцилиндр 41 с приводом выполнен идентичным первому и второму гидроцилиндрам 1 и 2 с их приводами. Thus, the third hydraulic cylinder 41 with the drive is identical to the first and second hydraulic cylinders 1 and 2 with their drives.

На фиг. 8 также показан патрубок 50 для подсоединения третьего гидроцилиндра 41 к корпусу 3 и пробка 51 для заливки жидкости. Керн или пористый материал внутри корпуса 3 на фиг. 8 не показан. In FIG. 8 also shows a pipe 50 for connecting the third hydraulic cylinder 41 to the housing 3 and a plug 51 for pouring liquid. A core or porous material inside the housing 3 in FIG. 8 is not shown.

Длины отрезков 11 и 12 фиксированы и, например, как показано на фиг. 8, равны. The lengths of the segments 11 and 12 are fixed and, for example, as shown in FIG. 8 are equal.

Возможно несколько вариантов работы устройства с тремя гидроцилиндрами 1, 2, 41. Several options for the operation of the device with three hydraulic cylinders 1, 2, 41 are possible.

В первом варианте исследуемая жидкость через отверстия, закрываемые пробками 36, 37, 51, заливается в предварительно вакуумированные полости гидроцилиндров 1, 2 и 41 и корпуса 3. При этом поршень 4 отведен в крайнее положение так, что объем жидкости в гидроцилиндре 1 максимален, поршень 5 отведен в другое крайнее положение так, что объем исследуемой жидкости в гидроцилиндре 2 минимален, а поршень 43 занимает крайнее положение в гидроцилиндре 41, соответствующее его максимальному объему. Далее одновременно включаются приводы гидроцилиндров 1 и 2. При этом поршень 4 движется в направлении уменьшения объема жидкости в гидроцилиндре 1, а поршень 5 - синхронно с поршнем 4 в направлении увеличения объема жидкости в гидроцилиндре 2. При достижении одним из поршней крайнего положения, соответствующего наиболее полному перетеканию жидкости из гидроцилиндра 1 в гидроцилиндр 2, осуществляется синхронный реверс привода гидроцилиндров 1 и 2 и движение поршней 4 и 5 происходит до тех пор, пока они не займут первоначальное положение. Такое циклическое движение повторяется многократно. При таком циклическом движении определяются реологические свойства исследуемой жидкости при нулевом статическом давлении. При достижении числа циклов работы гидроцилиндров 1 и 2, обеспечивающих требуемую точность измерений, не останавливая циклических движений поршней 4,5 включается привод гидроцилиндра 41 и поршень 43, двигаясь в корпусе 42 гидроцилиндра 41, сжимает исследуемую жидкость и повышает ее статическое давление. При достижении требуемого значения статического давления привод гидроцилиндра 41 начинает совершать относительно высокочастотные пульсации поршня 43, приводящие к появлению высокочастотной составляющей (пульсации) общего статического давления исследуемой жидкости. При этом закон управления движением поршня 43 может быть произвольного вида, например гармонический, пилообразный и др. In the first embodiment, the test fluid through the holes closed by plugs 36, 37, 51, is poured into the previously evacuated cavities of the hydraulic cylinders 1, 2 and 41 and the housing 3. In this case, the piston 4 is diverted to the extreme position so that the volume of fluid in the hydraulic cylinder 1 is maximum, the piston 5 is diverted to another extreme position so that the volume of the test fluid in the hydraulic cylinder 2 is minimal, and the piston 43 occupies the extreme position in the hydraulic cylinder 41, corresponding to its maximum volume. Then, the actuators of the hydraulic cylinders 1 and 2 are simultaneously turned on. In this case, the piston 4 moves in the direction of decreasing the volume of fluid in the hydraulic cylinder 1, and the piston 5 moves synchronously with the piston 4 in the direction of increasing the volume of fluid in the hydraulic cylinder 2. When one of the pistons reaches the extreme position corresponding to the most complete flow of fluid from the hydraulic cylinder 1 to the hydraulic cylinder 2, the synchronous reverse drive of the hydraulic cylinders 1 and 2 is carried out and the movement of the pistons 4 and 5 occurs until they take their original position. This cyclic movement is repeated many times. With this cyclic motion, the rheological properties of the liquid under study are determined at zero static pressure. Upon reaching the number of operating cycles of hydraulic cylinders 1 and 2, providing the required measurement accuracy, without stopping the cyclic movements of the pistons 4,5, the hydraulic cylinder drive 41 and the piston 43 are turned on, moving in the housing 42 of the hydraulic cylinder 41, compresses the test fluid and increases its static pressure. Upon reaching the desired value of the static pressure, the hydraulic cylinder drive 41 begins to make relatively high-frequency pulsations of the piston 43, leading to the appearance of a high-frequency component (pulsation) of the total static pressure of the test fluid. Moreover, the law controlling the movement of the piston 43 can be of any kind, for example, harmonic, sawtooth, etc.

Во втором варианте работа устройства осуществляется следующим образом. In the second embodiment, the operation of the device is as follows.

Исследуемая жидкость заливается так же как в первом варианте. Поршни 4 и 41 отведены в крайнее положение, соответствующее максимальному объему жидкости в гидроцилиндрах 1 и 41, а поршень - 5 в другое крайнее положение, соответствующее минимальному объему исследуемой жидкости. Далее включаются приводы двух гидроцилиндров 1 и 41, поршни которых 4 и 43 сжимают исследуемую жидкость и повышают гидростатическое давление в ней до заданного уровня, после чего оба привода отключаются. Затем одновременно включают приводы всех трех гидроцилиндров 1, 2, 41, причем поршни 4 и 43 движутся в направлении уменьшения объема жидкости в гидроцилиндрах 1 и 41, а поршень 5 - в сторону увеличения объема жидкости. При этом управление движением поршней 4, 5, 43 осуществляется так, что, например, скорость движения поршня 5 равна сумме скоростей движений поршней 4 и 43. При этом в корпусе 3 на участке 11 между гидроцилиндрами 1 и 41 реализуется напорное течение исследуемой жидкости с номинальным расходом, а на участке L2 между гидроцилиндрами 41 и 2 с повышенным до двух раз расходом. Как разновидность второго варианта работы устройства может быть случай управления движением поршней 4, 5, 43 так, что поршни 4 и 5 движутся согласно в сторону уменьшения объема жидкости в их гидроцилиндрах 1 и 2, а поршень 43 - в сторону увеличения объема жидкости в гидроцилиндре 41 со скоростью, равной сумме скоростей движения поршней 4 и 5. The test fluid is poured as in the first embodiment. Pistons 4 and 41 are assigned to the extreme position corresponding to the maximum volume of fluid in the hydraulic cylinders 1 and 41, and the piston 5 to the other extreme position corresponding to the minimum volume of the investigated fluid. Next, the actuators of two hydraulic cylinders 1 and 41 are turned on, the pistons of which 4 and 43 compress the test fluid and increase the hydrostatic pressure in it to a predetermined level, after which both drives are turned off. Then, the drives of all three hydraulic cylinders 1, 2, 41 are simultaneously turned on, with the pistons 4 and 43 moving in the direction of decreasing the volume of liquid in the hydraulic cylinders 1 and 41, and the piston 5 - in the direction of increasing the volume of liquid. In this case, the movement of the pistons 4, 5, 43 is controlled so that, for example, the speed of the piston 5 is equal to the sum of the speeds of the pistons 4 and 43. In this case, a pressure flow of the investigated liquid with a nominal flow rate is realized in the housing 3 on the section 11 between the hydraulic cylinders 1 and 41 flow rate, and in the area L2 between the hydraulic cylinders 41 and 2 with a flow rate increased to two times. As a variant of the second embodiment of the device, there may be a case of controlling the movement of the pistons 4, 5, 43 so that the pistons 4 and 5 move in the direction of decreasing the volume of fluid in their hydraulic cylinders 1 and 2, and the piston 43 moves in the direction of increasing the volume of fluid in the hydraulic cylinder 41 at a speed equal to the sum of the speeds of the pistons 4 and 5.

В третьем варианте работа устройства с тремя гидроцилиндрами 1, 2, 41 осуществляется следующим образом. In the third embodiment, the operation of the device with three hydraulic cylinders 1, 2, 41 is as follows.

В полость гидроцилиндра 41 через отверстие, закрываемое пробкой 51, заливается дополнительная жидкость, например присадка, влияние которой на реологические свойства основной исследуемой жидкости предполагается определить. Основная жидкость заливается в предварительно вакуумированные полости гидроцилиндров 1, 2, корпус 3 с керном и патрубком 50. При этом поршни 4 и 43 отведены в крайнее положение, соответствующее максимальному объему исследуемых жидкостей в их гидроцилиндрах 1 и 41, а поршень 5 - в положение, соответствующее минимальному объему жидкости в гидроцилиндре 2. Далее включают привод гидроцилиндра 1, при этом поршень 4 сжимает обе жидкости, повышая гидростатическое давление до заданного уровня. После чего привод гидроцилиндра 1 отключается. Далее одновременно включаются приводы гидроцилиндров 1 и 2. При этом поршень 4 движется в сторону уменьшения объема исследуемой основной жидкости, а поршень 5 - в сторону увеличения объема основной жидкости. При напорном течении основной жидкости по корпусу 3 с керном она не смешивается с дополнительной жидкостью (присадкой), поскольку патрубок 50 заполнен неподвижной основной жидкостью без присадки. Далее работа поршней 4 и 5 осуществляется в циклическом режиме аналогично устройству (фиг. 1) с двумя гидроцилиндрами 1 и 2. По окончании серии циклов, достаточной для определения реологических характеристик основной жидкости, приводы гидроцилиндров 1 и 2 включают и поршни 4 и 5 оставляют в среднем положении. Далее одновременно включают приводы всех трех гидроцилиндров 1, 41 и 2. При этом поршни 4 и 5 движутся в сторону увеличения объема основной жидкости в гидроцилиндрах 1 и 2, а поршень 43 - в сторону уменьшения объема второй дополнительной жидкости (присадки). Скорость движения поршня 43 равна сумме скоростей поршней 4 и 5. При этом заданная порция второй дополнительной жидкости (присадки) выдавливается через патрубок 50 в среднюю по длине часть корпуса 3, замещая собой основную жидкость в керне. Далее включаются приводы гидроцилиндров 1 и 2 и поршни 4, 5 двигаются в циклическом режиме аналогично предыдущей серии циклов. При этом происходит интенсивный процесс перемещений или растворения обеих жидкостей - основной и дополнительной. Такая серия циклов может, например, закончится после полного перемешивания (растворения) исследуемых жидкостей, о чем судят по мере стабилизации реологических свойств смеси жидкостей от цикла к циклу. Далее после остановки приводов гидроцилиндров 1 и 2 включением привода гидроцилиндра 41 в смесь основной и дополнительной жидкостей может быть подана новая порция дополнительной жидкости и вновь повторена серия циклов. In the cavity of the hydraulic cylinder 41 through the hole closed by the plug 51, an additional fluid is poured, for example an additive, the influence of which on the rheological properties of the main test fluid is supposed to be determined. The main fluid is poured into the previously evacuated cavities of the hydraulic cylinders 1, 2, housing 3 with a core and a pipe 50. In this case, the pistons 4 and 43 are diverted to the extreme position corresponding to the maximum volume of the studied liquids in their hydraulic cylinders 1 and 41, and the piston 5 to the position corresponding to the minimum volume of fluid in the hydraulic cylinder 2. Next, the actuator of the hydraulic cylinder 1 is turned on, while the piston 4 compresses both liquids, increasing the hydrostatic pressure to a predetermined level. Then the drive of the hydraulic cylinder 1 is turned off. Then, the actuators of the hydraulic cylinders 1 and 2 are simultaneously turned on. In this case, the piston 4 moves in the direction of decreasing the volume of the investigated main fluid, and the piston 5 moves in the direction of increasing the volume of the main fluid. When the pressure flow of the main fluid through the body 3 with the core, it does not mix with additional fluid (additive), since the nozzle 50 is filled with a fixed base fluid without additives. Further, the operation of the pistons 4 and 5 is carried out in a cyclic mode similar to the device (Fig. 1) with two hydraulic cylinders 1 and 2. At the end of a series of cycles sufficient to determine the rheological characteristics of the main fluid, the actuators of the hydraulic cylinders 1 and 2 turn on and the pistons 4 and 5 are left in middle position. Then simultaneously turn on the drives of all three hydraulic cylinders 1, 41 and 2. In this case, the pistons 4 and 5 move in the direction of increasing the volume of the main fluid in the hydraulic cylinders 1 and 2, and the piston 43 - in the direction of decreasing the volume of the second additional fluid (additive). The speed of the piston 43 is equal to the sum of the speeds of the pistons 4 and 5. In this case, a predetermined portion of the second additional liquid (additive) is squeezed through the pipe 50 into the middle part of the body 3, replacing the main liquid in the core. Next, the actuators of the hydraulic cylinders 1 and 2 and the pistons 4, 5 move in a cyclic mode similar to the previous series of cycles. In this case, an intensive process of displacement or dissolution of both liquids occurs - the primary and secondary. Such a series of cycles can, for example, end after complete mixing (dissolution) of the studied liquids, which is judged as the rheological properties of the mixture of liquids stabilize from cycle to cycle. Then, after stopping the actuators of the hydraulic cylinders 1 and 2 by including the actuator of the hydraulic cylinder 41 in the mixture of the main and additional liquids, a new portion of the additional liquid can be fed and a series of cycles can be repeated.

На фиг. 9 показан керн или пористый материал 60, размещенный в корпусе 3. Корпус 3 может быть снабжен обогревателем 61 или (на фиг. 9 не показаны) различными датчиками и электродатчиками, например, для измерения упругой волны или для измерения электросопротивления и т.п., которые не являются предметом настоящего изобретения и могут быть конструктивно выполнены известным образом. In FIG. 9 shows a core or porous material 60 placed in the housing 3. The housing 3 may be provided with a heater 61 or (not shown in FIG. 9) various sensors and electrodes, for example, for measuring an elastic wave or for measuring electrical resistance, etc., which are not the subject of the present invention and can be structurally performed in a known manner.

В частном случае, в качестве пористого материала может быть использован керн, а в качестве флюида - буровой раствор или нефтегазоконденсатная система или пластовая вода. В общем случае может быть использован любой пористый материал, например фильтрующие вещества, а при работе устройства в режиме двух гидроцилиндров 1 и 2 или трех гидроцилиндров 1, 2, 41 могут быть исследованы и определены реологические свойства флюидов и пористых материалов вышеописанным образом в стационарных или переходных режимах. In a particular case, a core can be used as a porous material, and drilling fluid or an oil and gas condensate system or produced water can be used as a fluid. In the general case, any porous material can be used, for example, filtering substances, and when the device is operated in the mode of two hydraulic cylinders 1 and 2 or three hydraulic cylinders 1, 2, 41, the rheological properties of fluids and porous materials can be investigated and determined in the above-described manner in stationary or transitional modes.

Claims

1. A device for studying filtration processes in porous media, comprising a housing for accommodating a porous medium and fluid supply channels to the ends of the housing, characterized in that it is provided with two hydraulic cylinders fixed to a common base with piston drives, pressure and displacement sensors, pressure cylinders of the hydraulic cylinders are communicated with fluid supply channels, the piston drive is configured to provide translational-rotational movement of the piston in the form of a screw-nut pair, the pair screw being connected to the piston at one end it, and the other with the engine, the body of each hydraulic cylinder is spring-loaded with an elastic element located between the end of the body and the nut, the pressure sensor is made in the form of an indicator fixing the mutual displacement of the cylinder body and the nut, and the displacement sensor is made in the form of an indicator fixing the mutual displacement of the piston and cylinder body.

2. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with a third hydraulic cylinder, mounted on a common base and connected to a housing for accommodating a porous medium between said hydraulic cylinders, the third hydraulic cylinder having a drive in the form of a screw-nut pair, a pressure sensor and a sensor displacement, and the body of the hydraulic cylinder is spring-loaded with an elastic element.