Устройство для моделирования щелевого протока жидкости
Изобретение относится к материалам и технологиям, применяемым при обработке подземных пластов, в частности к инструментальным методам и устройствам, подходящим для моделирования прохождения жидкостей для обработки скважины через трещину, образованную в подземном пласте. Устройство для моделирования щелевого протока жидкости включает в себя корпус испытательной кюветы, имеющей первую внешнюю поверхность, вторую внешнюю поверхность, полость, простирающуюся между первой внешней поверхностью и второй внешней поверхностью, а также первую увлажняемую текстурированную пластину и вторую увлажняемую текстурированную пластину, которые расположены внутри указанной полости. Зазор для потока жидкости определяется между первой увлажняемой текстурированной пластиной и второй увлажняемой текстурированной пластиной. Источник света располагают между второй увлажняемой текстурированной пластиной и второй внешней поверхностью, а смотровое окно формируют в первой внешней поверхности. Первая увлажняемая текстурированная пластина и вторая увлажняемая текстурированная пластина могут быть прозрачными. Техническим результатом является создание устройства для моделирования щелевого протока жидкости для обеспечения возможности испытательной жидкости открывать зазор, имитируя, таким образом, образование трещин. 16 з.п. ф-лы, 13 ил.
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка испрашивает согласно разделу 35 § 120 Свода законов США приоритет предварительной заявки США с порядковым №62/093849, поданной 18 декабря 2014 г., которая включена сюда по ссылке во всей ее полноте.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее раскрытие сущности в широком смысле относится к материалам и технологиям, применяемым при обработке подземных пластов, в частности, к инструментальным методам и устройствам, подходящим для моделирования прохождения жидкостей для обработки скважины через трещину, образованную в подземном пласте.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В данном разделе представлена информация для содействия лучшему пониманию различных аспектов настоящего раскрытия сущности. Следует понимать, что заявленную сущность в данном разделе настоящей заявки следует читать в описанном свете, а не как признание предшествующего уровня техники.
В области техники гидроразрыва пласта основная проблема, препятствующая пониманию физических процессов образования трещин, протока расклинивающего агента по трещине и поведения проппантной упаковки при закрытии трещины, заключается в неспособности непосредственно наблюдать эти процессы. Горная порода, в большинстве случаев непрозрачная, не дает видеть то, что происходит внутри, и, как правило, работы в подземном пласте ведутся на глубине от 5000 до 20000 футов (от 1,5 до 6 км) от поверхности. Кроме того, в некоторых случаях определяющие причинно-следственные события происходят на расстоянии от нескольких десятков до сотен футов вглубь от ствола скважины в районе подземного пласта, в который простирается трещина.
В течение последних лет предпринимались многочисленные попытки лучше и подробнее понять процессов гидроразрыва. Одна из попыток включает метод, который называют «обратная разработка». При этой технологии окрашенный песок помещают в трещину, образованную рядом с существующей шахтой в подземном пласте. Как только давление гидравлической жидкости снизится и трещина с песком смыкается, эту шахту продолжают разрабатывать по направлению к трещине по слоям. Отложения песка фиксируют при помощи фотосъемки по мере обнаружения. Такой подход известен своей высокой стоимостью и большими временными затратами, к тому же его применение ограничено узкоспециальными ситуациями и пластами.
Некоторые другие подходы включают проведение микросейсмических измерений и измерений с помощью уклономера для оценки протяженности и размеров внутрискважинных трещин в настоящих скважинах. Кроме того, для оценки распределения песка в призабойной зоне ограниченно используют радиоактивный песок. В еще одном подходе, химические метки, закачиваемые вместе с жидкостью для гидроразрыва, использовали для приблизительного определения длины трещины: длина трещины пересчитывается по времени выноса метки поверхность.
В больших лабораторных масштабах для проведения гидроразрыва использовали блоки породы и льда с размерами сторон порядка 1 метра. В блоках создавали трещины под гидростатическими и ограничивающими давлениями для установления механизмов, которые могут быть задействованы при гидроразрыве. Кроме того, использовали щелевые проточные кюветы для визуализации смоделированного поведения жидкостей гидроразрыва при их закачке через кюветы. Как правило, такие кюветы состоят из двух параллельных прозрачных пластин, выполненных из оргстекла или поликарбоната, при этом зазор между пластинками задается толщиной прокладки между пластинами. Часто поддерживающие элементы конструкции ограничивают края кюветы и в некоторых случаях могут проходить по лицевой поверхности кюветы. Кроме того, данные кюветы все имеют недостатки: это деформация стенок и существенно гладкие стенки. В некоторых случаях в кюветах применялись пластины из оргстекла с толщиной приблизительно 1 дюйм (25,4 мм) для создания смотровых окон, а также для поверхности течения. Это значит, что повреждение поверхности требовало замены емкости для работы под давлением и приводило к существенным расходам. Кроме того, с экономической точки зрения было невозможно использовать очень жесткую кювету, поскольку прогиб пластины из оргстекла с толщиной 1 дюйм (2,54 мм) на масштабе 4 фута (1,22 м) уже заметен даже под воздействием гидростатического давления воды.
Сохраняется постоянная потребность в обеспечении улучшенных способов и устройств для понимания физических процессов образования трещин, переноса расклинивающего агента, и режима смыкания трещин; подобная потребность удовлетворяется, по меньшей мере частично, вариантами осуществления, описанными в настоящем раскрытии сущности.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ
Данный раздел обеспечивает общее краткое описание сущности и не обязательно представляет собой исчерпывающее описание полного объема его применений или всех его признаков.
Рассматриваемое в настоящем раскрытии сущности устройство для моделирования щелевого протока жидкости включает корпус испытательной кюветы, имеющей первую внешнюю поверхность, вторую внешнюю поверхность, полость между первой внешней поверхностью и второй внешней поверхностью, а также первую увлажняемую текстурированную пластину и вторую увлажняемую текстурированную пластину, которые расположены внутри указанной полости. Зазор для потока жидкости определяется между первой увлажняемой текстурированной пластиной и второй увлажняемой текстурированной пластиной. Источник света располагают между второй увлажняемой текстурированной пластиной и второй внешней поверхностью, а смотровое окно формируют в первой внешней поверхности. Первая увлажняемая текстурированная пластина и вторая увлажняемая текстурированная пластина могут быть прозрачными. В одних вариантах первая увлажняемая текстурированная пластина и вторая увлажняемая текстурированная пластина имеют противолежащие матовые поверхности и могут включать текстуры, такие как смоделированная расколотая порода, шестиугольные текстурированные поверхности, муаровые текстурированные поверхности, мелкозернистые текстурированные поверхности и т.п.В других вариантах первая увлажняемая текстурированная пластина и вторая увлажняемая текстурированная пластина имеют многомасштабные текстурированные структуры, когда масштабы нанесенной текстуры имеют микронный масштаб, масштаб от 1 мм до 5 мм, а также масштаб от 10 мм до 200 мм.
Первая внешняя поверхность может включать жесткую стойку, расположенную в пределах смотрового окна в непосредственной близости к первой увлажняемой текстурированной пластине. Кроме того, множество прокладок могут располагаться между первой увлажняемой текстурированной пластиной и второй увлажняемой текстурированной пластиной, в непосредственной близости к зазору для потока жидкости при определении ширины зазора для потока жидкости. В некоторых вариантах зазор для потока жидкости имеет регулируемую ширину. Регулируемая ширина может изменяться посредством прогиба первой увлажняемой текстурированной пластины под давлением, посредством смещения первой увлажняемой текстурированной пластины и второй увлажняемой текстурированной пластины относительно друг друга в тех случаях, когда пластины имеют ступени на противолежащих поверхностях, или посредством любого другого подходящего средства. В некоторых случаях часть зазора для потока жидкости включает пористую пластину, расположенную внутри него.
В некоторых других вариантах осуществления настоящего раскрытия сущности системы включают испытательную кювету, имеющую зазор для потока жидкости, образованный между первой увлажняемой текстурированной пластиной и второй увлажняемой текстурированной пластиной, где пластины являются прозрачными. Источник света располагают в непосредственной близости от второй увлажняемой текстурированной пластины, а смотровое окно размещают в непосредственной близости от первой увлажняемой текстурированной пластины.
Испытательную жидкость располагают внутри зазора для потока жидкости, и в некоторых случаях испытательная жидкость представляет собой жидкость для обработки подземного пласта, которая может включать или может не включать расклинивающий агент, захваченный ею.
Другим вариантом осуществления согласно настоящему раскрытию сущности является система, в которой зазор для потока жидкости в испытательной кювете образован между первой увлажняемой текстурированной пластиной и второй увлажняемой текстурированной пластиной, причем пластины являются прозрачными. Множество прокладок располагают между первой увлажняемой текстурированной пластиной и второй увлажняемой текстурированной пластиной, в непосредственной близости к зазору для потока жидкости при образовании ширины зазора для потока жидкости. Смотровое окно располагают в непосредственной близости к первой увлажняемой текстурированной пластине. В некоторых случаях первая текстурированная орошаемая пластина и вторая текстурированная орошаемая пластина расположены друг к другу матовыми поверхностями, имеющими одну из следующих смоделированных текстур: расколотая порода, гексагональная текстура, муаровая текстура и мелкозернистая текстура.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже описаны отдельные варианты исполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, нумерация в которых соответствует определенному элементу. Следует отметить, что прилагаемые фигуры иллюстрируют различные варианты осуществления устройства, описываемые в настоящей заявке, и не призваны ограничивать круг описанных технологий.
На ФИГ. 1 показан вид в разрезе для варианта испытательной кюветы.
На ФИГ. 2 показан вид в разрезе для источника света, подходящего к некоторым вариантам осуществления.
На ФИГ. 3 показан вид в разрезе испытательной кюветы согласно некоторым вариантам осуществления раскрытой сущности.
На ФИГ. 4 и ФИГ. 5 изображен график деформации в центре смотровой пластины для некоторых вариантов осуществления испытательной кюветы.
На ФИГ. 6 показан вид с местным разрезом для иного варианта осуществления испытательной кюветы.
На ФИГ. 7 показан поперечный разрез орошаемой пластины с муаровой текстурой, подходящей для некоторых вариантов осуществления согласно раскрытой сущности.
На ФИГ. 8 представлен перспективный вид поверхности пластины с текстурой гексагональной геометрии.
На ФИГ. 9 показан вид в разрезе для варианта осуществления зазора переменной ширины для потока жидкости в испытательной кювете.
На ФИГ. 10 показан вид в разрезе варианта осуществления на основе пористой пластины в зазоре для потока жидкости через испытательную кювету.
На ФИГ. 11 представлен вид в разрезе варианта осуществления зазора переменной ширины для потока жидкости в испытательной кювете, на текстурированных увлажняемых пластинах с геометрией ступенек.
На ФИГ. 12 показан вид спереди на вариант осуществления увлажняемой текстурированной пластины, имеющей отверстия для ввода жидкости и каналы для размещения термопар.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Нижеследующее описание вариантов носит исключительно иллюстративный характер и никоим образом не ограничивает объем, область или сферу применения настоящей раскрытой сущности. Это описание и примеры представлены исключительно для иллюстрации различных вариантов осуществления настоящего раскрытия сущности и не толкуются как ограничивающие объем и применимость настоящего раскрытия сущности. За исключением случаев, когда четко указано иное, «или» обозначает включающее «или», но не исключающее «или». Например, условию «А или Б» удовлетворяет все из перечисленного ниже: А истинно (или присутствует) и Б ложно (или отсутствует), А ложно (или отсутствует) и Б истинно (или присутствует), а также истинно (или присутствует) как А, так и Б. В дополнение к этому, использование слов «один» или «определенный» применяют для описания элементов и компонентов вариантов осуществления в настоящей заявке. Это делают из соображений удобства, а также чтобы дать общее понятие о концепциях настоящего раскрытия сущности. Данное описание следует читать, как «включающий один» или «как минимум один», кроме того единственное число включает и множественное число, если не оговорено иное. Используемая в настоящем раскрытии сущности терминология и фразеология представлены исключительно описательно и не толкуются как ограничивающие объем настоящего раскрытия сущности. Выражения, такие как «включающий в себя», «содержащий», «имеющий», «состоящий из» или «относящийся к», а также их варианты предназначены для понимания в широком смысле и охвата приведенного ниже объекта настоящего раскрытия, его эквивалентов и дополнительного объекта настоящего раскрытия сущности, не описанного в настоящей заявке. Кроме того, в том виде, в котором они использованы в настоящей заявке, любые ссылки на «один вариант осуществления» или «вариант осуществления» означают, что конкретный элемент, характеристика, структура или отличительная черта, описанная в связи с данным вариантом настоящего раскрытия, входит по меньшей мере в один вариант осуществления настоящего раскрытия сущности. Появление фразы «в одном варианте осуществления» в различных местах данной спецификации не обязательно относится к одному и тому же варианту осуществления.
Варианты осуществления согласно настоящему раскрытию сущности обеспечивают методы и/или устройства для понимания физики процесса образования трещин, потока расклинивающего агента и режима закрытия трещины в лабораторных условиях или в условиях вне подземного пласта, причем без применения кернов породы. В вариантах осуществления используют такие технологии, как оптоволоконные листы, электролюминесцентные панели и/или задняя подсветка из легированного акрила. В некоторых случаях панели из легированного акрила оказались подходящими для вариантов осуществления, так как указанные панели оказались способны выдерживать сжимающие нагрузки в тысячи фунтов на квадратный дюйм, а также панели обеспечивают равномерное освещение выбранных цветов. В продаже имеются листах размером 4 на 8 футов (1,22 на 2,44 м). В некоторых вариантах осуществления легирование осуществляется посредством внедрения прозрачных частиц в акриловый лист, что дает равномерно освещенную панель без дополнительной обработки поверхности (травление, гравирование или печать) для получения яркого освещения поверхности. Неограничивающими примерами таких световых панелей являются панели торговой марки ACRYLITE® LED, поставку которых обеспечивает компания Evonik Industries AG, г. Эссен, Германия. Как правило, для отражения света вперед используют белый отражающий лист, расположенный за панелью, так как освещенная панель равномерно распространяет свет в обоих направлениях. При введении в конструкцию проточной кюветы указанные панели позволяют выполнять заднюю панель проточной кюветы в качестве стальной стенки, имеющей практически любую подходящую жесткость, при этом по-прежнему сохраняя возможность выполнять визуальную оценку характера движения потока, проходящего через кювету. Кроме того, можно использовать один или больше слоев светорассеивающего легированного пластика, который подходит для дальнейшего повышения равномерности светового выхода, а также для того, чтобы скрыть теплопроводные провода. Дополнительно, отверстия для протока жидкости могут легко быть выполнены в задней пластине и системе освещения без ухудшения их функционирования. Для некоторых вариантов осуществления полезный эффект может быть достигнут при отделении элементов емкости для работы под давлением от элементов, находящихся в непосредственном контакте с испытательной жидкостью.
На ФИГ. 1 показан вид в разрезе для варианта осуществления испытательной кюветы согласно настоящему раскрытию сущности. Как видно из показанной общей послойной конструкции, испытательная кювета 100 включает заднюю пластину 102, которая представляет собой структурный элемент подходящей жесткости, изготовленный из стали или подобного материала; указанный структурный элемент поддерживает послойную структуру при воздействии высоких сжимающих нагрузок, применяемых при моделировании поведения флюидов, таких как гидроразрыв пласта, поток расклинивающего агента и закрытие трещины. Следующий слой представляет собой источник света 104, который в некоторых случаях может состоять из многих слоев, таких как отражающий лист, световод из легированного акрила с периферийным освещением, светорассеивающий лист и накладная пластина, как показано и подробно описано на ФИГ. 2. Первую текстурированную орошаемую пластину 106 устанавливают в непосредственной близости от источника света 104, она может иметь потоковую арматуру 108, которую герметично располагают в первой увлажняемой текстурированной пластине 106 с кольцевым уплотнением 110. Другое кольцевое уплотнение 122 герметизирует потоковую арматуру, ведущую к источнику света 104. Для крепления первой увлажняемой текстурированной пластины 106 к источнику света 104 с помощью большого кольцевого уплотнения 114 с целью сохранения вакуума могут использовать систему вакуумных зажимных приспособлений. Прокладку 116 герметично соединяют с первой увлажняемой текстурированной пластиной 106 и второй увлажняемой текстурированной пластиной 118 при помощи кольцевого уплотнения 120 и 122. Это позволяет легко и надежно регулировать зазор кюветы. Сходная система вакуумных зажимных приспособлений с кольцевым уплотнением 124 удерживает вторую увлажняемую текстурированную пластину 118, герметично прижимая ее к конструкционной смотровой панели 126. В некоторых аспектах настоящего раскрытия оптически прозрачные нагревательные элементы, включая проводники из оксида индия и олова, тонкие медные провода или другие проводящие материалы с хорошей светопроницаемостью, не ограниченные перечисленными, могут располагаться на внешней стороне текстурированных орошаемых пластин для нагрева до целевой температуры в области, как можно ближе расположенной к области потока, без значительного ухудшения обзора. Температурные значения до приблизительно 150 градусов по Фаренгейту (65,5°С) или даже до 200 градусов по Фаренгейту (93,3°С) представляют собой примеры используемых температур, которые создаются с помощью прозрачных нагревательных элементов.
Для конструкционной смотровой панели 126 выбирают материал, который обеспечивает приемлемый прогиб (деформацию) под высоким давлением внутри кюветы, причем выбор не ограничивают ценой, химической совместимостью или устойчивостью. В некоторых случаях, конструкционную смотровую панель 126 выполняют из материала на основе закаленного акрилового пластика или, в некоторых других случаях, из закаленного поликарбонатного пластика. Между конструкционной смотровой панелью 126 и наружной стальной структурой 130 может быть введена контрольная прокладка 128 для уменьшения концентрации напряжений на наиболее ценных компонентах установки, например, конструкционная смотровая панель и увлажняемые текстурированные пластины. В некоторых вариантах конструкционная смотровая панель 126 может быть разработана в соответствии с одной конструкций окон, описанных в своде правил ASME PVHO-1-2012 «Сосуды под давлением для зданий, предназначенных для постоянного пребывания людей», который включен в настоящую заявку путем ссылки. В некоторых других вариантах конструкционную смотровую панель 126 могут разрабатывать в соответствии с практикой проектирования смотровых окон на подводных объектах, которая допускает значительную гибкость в отношении их размера и номинальных значений давления.
В некоторых вариантах согласно настоящего раскрытия сущности увлажняемые текстурированные пластины 106 и 108 могут иметь текстурированные структуры, выполненные в их поверхностях 132 методом машинной обработки, а также могут иметь встроенные структуры для распределения потока 134. В некоторых случаях текстуры выполняют в их поверхностях 132 методом машинной обработки произвольным или иным случайным образом, а в некоторых других случаях эти текстуры могут иметь подобранную структуру. Также могут применяться комбинации обоих типов общих структур. Можно также легко встроить отверстия для потока, выходящие из боковой стороны пластин. В некоторых вариантах осуществления настоящего раскрытия сущности структурное соединение, с помощью которого крепится задняя пластина 102 и внешняя структура 130, могут проектировать таким образом, чтобы позволить расширение и сжатие пачки слоев без изменений зажимной нагрузки. В некоторых аспектах такую функцию могут обеспечить большие воздушные цилиндры или гидравлические цилиндры с присоединенным аккумулятором, позволяя кювете нагреваться и охлаждаться без утечки испытательной жидкости. Как показано ниже на ФИГ. 1, внешняя структура 130 и контрольная прокладка 128 могут включать окно 136 и 138 для визуального наблюдения за поведением жидкости внутри кюветы, между текстурированными орошаемыми пластинами 106 и 108.
На ФИГ. 2 показано поперечное сечение источника света 104. Источник света 104 может включать слои, такие как отражающий лист 140, световод 142 из легированного акрила с периферийным освещением, светорассеивающий лист 144 и накладная пластина 146. Световод 142 из легированного акрилового полимера может быть любым устройством, подходящим для передачи и/или распределения световой энергии от источника света к освещаемой области, как оптический волновод, и изготовленным из прозрачных твердых тел, которые содержат свет благодаря полному внутреннему отражению, подобно тому, как описано выше.
На ФИГ. 3 показан вид в разрезе для испытательной кюветы согласно некоторым вариантам осуществления настоящего раскрытия сущности. Испытательная кювета 300 включает заднюю пластину 302 (толщиной около 1 дюйма (25,4 мм)) и внешнюю стальную конструкцию 304, которая скрепляет и/или содержит заднюю пластину 302 и другие компоненты. Световую пластину 306 (толщиной около 0,25 дюйма (6,35 мм)), такую как световод из легированного акрила или иной подходящий оптический волновод, размещают в непосредственной близости от задней пластины 302. Диффузионную пластину 308 (толщиной около 0,18 дюйма (4,57 мм)) размещают в непосредственной близости от световой пластины 306, а накладную пластину 310 (толщиной около 1 дюйма (25,4 мм)) располагают в непосредственной близости от диффузионной пластины 308. На противоположной стороне послойной структуры изображена накладная пластина 312 (толщиной около 0,5 дюйма (12,7 мм)), имеющая сформированное в ней смотровое стекло 314 и смотровую пластину 316 толщиной около 4 дюймов (102 мм), расположенную в непосредственной близости от накладной пластины 312. Смотровая пластина 316 может быть изготовлена из материала, который позволяет получить достаточный обзор поведения жидкости внутри кюветы. Первую увлажняемую текстурированную пластину 318 и вторую увлажняемую текстурированную пластину 320 располагают между смотровой пластиной 316 и накладной пластиной 310, как показано на чертеже. Первая увлажняемая текстурированная пластина 318 и вторая увлажняемая текстурированная пластина 320 образовывают между собой зазор для потока жидкости 322 на одном конце иллюстрации, а уплотнительную пластину 324 (толщиной около 0,1 дюйма (2,54 мм)) располагают между первой увлажняемой текстурированной пластиной 318 и второй увлажняемой текстурированной пластиной 320 на другом конце иллюстрации. Насос 326 может подавать испытательную жидкость под целевым давлением и в целевом объеме в зазор 322 для потока жидкости через канал 328, который находится внутри потоковой арматуры 330. Испытательная кювета 300 имеет конструкцию, которая обеспечивает давление жидкости до 20 фунтов/кв. дюйм (138 кПа) в зазоре 322, а также смотровую область 332 размером приблизительно 3 фута на 7 футов (0,9 на 2,1 м).
На ФИГ. 4 графически показан прогиб (деформация) в районе центра смотровой пластины 300 для испытательных кювет, причем смотровая область 332 не усилена механически и имеет ширину приблизительно в 40 дюймов (1,0 м). Данный прогиб является небольшим по отношению к зазору в 0,1 дюйма (2,54 мм) при низком давлении в 5 фунтов/кв. дюйм (34 кПа), но увеличивается до неприемлемых значений при более высоких давлениях, таких как 10,4 и 20,8 фунтов/кв. дюйм (71, 7 и 143 кПа, соответственно). В некоторых случаях для вязких испытательных жидкостей может потребоваться закачка испытательной жидкости в зазор 322 для испытательной жидкости в испытательной кювете при максимальных номинальных значениях давления с последующим сбросом давления до более низких значений в применимом диапазоне, таком как 15 фунтов/кв. дюйм (103 кПа) или меньше или даже 5 фунтов/кв. дюйм (34 кПа) или меньше. На ФИГ. 4 графически показан прогиб через центр смотровой пластины 300 для испытательных кювет, причем смотровая область 332 усилена поддерживающей поверхностью и имеет ширину приблизительно 40 дюймов (1,0 м). По отношению к ФИГ. 5, проблему с прогибом, отображенную на ФИГ. 4, значительно уменьшили, принеся в жертву некоторые из смотровых устройств, встроив одну жесткую стойку или поддерживающую поверхность во внешнюю стальную структуру 134 и расположив ее на смотровой пластине 316 на кратчайшем расстоянии от смотровой области 332 испытательной кюветы 300. Как показано на изображении ФИГ. 5, одна центральная жесткая опора или поддерживающая поверхность уменьшает прогиб почти на порядок (по сравнению со смотровой областью без механического укрепления). В связи с этим жидкости, включая вязкие жидкости, можно закачивать в зазор 322 для испытательной жидкости в испытательной кювете при максимальных номинальных значениях давления и при приемлемом прогибе смотровой области.
На ФИГ. 6 показан частичный поперечный разрез, другой вариант осуществления испытательной кюветы согласно настоящего раскрытия сущности с очень высоким предельным давлением в конструкции испытательной кюветы диаметром в 12 дюймов (304,8 мм). Испытательная кювета 600, которая включает многие конструктивные особенности, сходные с описанными в приведенных выше вариантах осуществления, имеет такую конструкцию, которая может выдерживать давление жидкости до 970 фунтов/кв. дюйм (6, 7 кПа) и прилагаемую нагрузку в 50 тонн. В описываемом варианте осуществления первая увлажняемая текстурированная пластина 602 может сдвигаться по направлению к второй увлажняемой текстурированной пластине 604 на расстояние до 0,5 дюймов (12,7 мм) под давлением и нагрузкой. Увлажняемые текстурированные пластины 602 и 604 в ширину имеют приблизительно 2 дюйма (50,8 мм). В данной системе используется коническое акриловое окно, когда смотровая пластина 606 (толщиной около 4 дюймов (102 мм)) располагается на боковой стороне элемента 608. Такие элементы конструкции обеспечивают значительно более высокое предельное давление, чем плоская конструкция окна, показанная на ФИГ. 1-3, при этом используя акриловую смотровую пластину 606 толщиной около 4 дюймов (102 мм). Некоторые случаи предусматривают, чтобы смотровые окна имели смотровую пластину с толщиной больше 4 дюймов (102 мм), но такие смотровые окна чрезвычайно дороги, так как потребуют индивидуального формования полых отливок. Смотровые пластины толщиной около 4 дюймов (102 мм) и менее являются более экономичными и более доступными, так как их изготавливают методом блочной полимеризации.
Испытательная кювета 600 также включает цилиндр 610, имеющий достаточное номинальное давление для приложения нагрузки к первой увлажняемой текстурированной пластине 602, задней панели 612, источнику света 614, который в некоторых случаях может состоять из многих слоев, таких как отражающий лист, световод из легированного акрила с периферийным освещением, светорассеивающий лист и накладная пластина 616. Зазор 618 для испытательной жидкости в испытательной кювете, образованный между первой увлажняемой текстурированной пластиной 602 и второй увлажняемой текстурированной пластиной 604, может иметь ширину приблизительно в 0,5 дюйма (12,7 мм) в тех случаях, когда не находится под нагрузкой, прилагаемой с помощью цилиндра 610. Первый нагревательный диск 620 можно расположить между накладной пластиной 616 источника света и первой увлажняемой текстурированной пластиной 602, где его будет удерживать на месте рама 622, при этом второй нагревательный диск 624 можно расположить между смотровой пластиной 606 и второй увлажняемой текстурированной пластиной 604, при этом второй нагревательный диск 624 будет удерживать рама 626. Нагревательные диски 620 и 624 имеют толщину приблизительно 0,5 дюймов (12,7 мм). Испытательная кювета 600 также включает опору для пластин 628, которую располагают на одном конце и которая удерживает элементы испытательной кюветы на месте вместе с гайками 630 и 632 при эксплуатации и под нагрузкой. В конструкцию можно также встраивать устройство записи данных/элемент системы управления 634.
Варианты осуществления согласно настоящего раскрытия сущности относятся к моделированию поверхности настоящей плоскости забоя при помощи трещин, образующихся в подземном пласте, или трещин, которые уже существуют в пласте. Этого достигают при помощи шероховатости или иных неровностей на поверхностях увлажняемых текстурированных пластин, образующих зазор для потока жидкости, при использовании согласно настоящего раскрытия сущности. В одном случае для имитации поверхности горной породы подготавливали отливки противолежащих поверхностей расколотой горной породы, что обеспечивало сопрягаемые поверхности, и из литейных форм изготавливали пластины из акрилового пластика методом вакуумного формования. Такие пластины, изготовленные методом вакуумного формования, затем подвергали пескоструйной обработке и воспроизводили (моделировали) поверхность расколотой породы. Кроме того, акриловые текстурированные пластины изготавливали с использованием 3D-принтера для получения ступеней и углов. Такие кюветы показали себя хорошо благодаря мелкомасштабной шероховатости поверхностей, изготовленных с помощью 3D-принтеров. Структура, отпечатанная на 3D-принтере, включала стерео литографию, основанную на математически выведенной синтетической текстуре породы.
Для некоторых вариантов осуществления, описанных в настоящей заявке, подготавливали комплект текстурированных пластин, которые изготавливали машинным способом в большом масштабе (т.е. пластины размером 4 на 8 футов (1,2 на 2,4 м)), которые обеспечивали набор сменных текстур в линейном или трехмерном варианте. Такие линейные размеры включали шероховатость в микрометрическом масштабе, причем отличительные размеры указанной шероховатости были меньше размеров типичных песчаных зерен и сравнимы с диаметром волокна. Второй уровень шероховатости, в среднем масштабе, включал элементы, имеющие размеры от размера песчаного зерна (от приблизительно 100-го до приблизительно 20-го номера сита) до ширины типичной трещины (от приблизительно 2 до приблизительно 5 мм). Третий масштаб нанесенной шероховатой поверхности был значительно больше, чем ширина трещины, но значительно меньше, чем размеры кюветы, и составлял от приблизительно 10 до приблизительно 200 мм. В комплект текстурированных пластин входят гладкие пластины, пластины, обработанные песком, пластины с муаровой текстурой, пластины с шестиугольной текстурой, а также пластины с мелкозернистой синтетической текстурой горных пород. Было установлено, что пластины, подвергнутые пескоструйной обработке, обеспечивали мелкомасштабную шероховатость. Более сложные пластины обеспечивали текстуры со всеми тремя уровнями шероховатости.
Пластины с муаровой текстурой обеспечивали минимальный уровень сложности текстур, который позволяет получить ожидаемые результаты. Пластины с муаровой текстурой имели текстуру в виде синусоидальной волны с периодом около 8 дюймов (203,2 мм) и амплитудой около 0,2 дюйма (5,08 мм); их изготавливали методом машинной обработки чистой гладкой пластины с применением концевой сферической фрезы диаметром 0,25 дюйма (6,35 мм) и центральной фрезы диаметром 0,125 (3,2 мм) для обработки центральных проходов. Это позволило получить муаровую синусоидальную текстуру с несколько заостренными областями между каждым проходом фрезы. Пластину затем подвергали пескоструйной обработке для получения мелкомасштабной шероховатости. Поперечное сечение пластины с муаровой поверхностью приводится на ФИГ. 7. Пластину с муаровой текстурой изготавливали из листа прозрачного акрилового оргстекла размером 4 на 8 футов (1,2 на 2,4 м). Боковую сторону 702 оставляли гладкой, а противолежащую сторону подвергали машинной обработке, как описано выше. Текстура в форме синусоидальной волны имела амплитуду около 0,2 дюйма (5,08 мм) (показана на 704) с периодом около 8 дюймов (203 мм), образованную гребнем волны 706 с высотой 4 дюйма (102 мм) (показан на 708) и впадиной 710 с длиной 4 дюйма (102 мм) (показана на 712). Начальная толщина составляла 2 дюйма (50,8 мм) (показано на 714), которую сохраняли до пика гребня 706, а толщина пластины в нижней части впадины 710 составляла 1,8 дюйма (45,7 мм) (показано на 716).
Наконец, на ФИГ. 8 показан перспективный вид поверхности пластины с шестиугольной текстурой. Пластину 800 с гексагональной текстурой изготавливали, используя для получения среднемасштабной шероховатости тот же способ машинной обработки, который описан выше, но в основе лежала синтетическая текстура породы, подвергнутая сильному упрощению с треугольниками между конкретными точками. Такая текстура функционирует как в горизонтальном, так и в вертикальном положении, но гексагональные оси вводят видимые искажения в результаты некоторых экспериментов, которые не удается получить с помощью муаровых текстур. Тем не менее, поверхности с муаровой текстурой работают, как предусматривается, при расположении волн в горизонтальном направлении.
В некоторых вариантах осуществления согласно настоящего раскрытия сущности зазор для потока жидкости в испытательной кювете изменяют именно при помощи системы текстурированных пластин, что позволяет испытательной жидкости действительно открывать зазор, имитируя таким образом образование трещины. Такой зазор также может закрываться после попадания в него расклинивающего агента, что используют для изучения движения и поведения при закрытии трещины. На ФИГ. 9, где показана подобная конструкция в поперечном разрезе, приводится испытательная кювета 900, которая включает подвижную пластину 902 с уплотнениями 904, расположенными с обеих сторон. Одна сторона 906 данной пластины 902 находится в контакте с текстурированной пластиной 908. Другая сторона имеет над ней полость 910, заполненную водой. Под действием давления жидкости подвижная пластина может отгибаться от текстурированной пластины или прижиматься к ней. Вставляя регулировочные прокладки в полость, можно управлять глубиной полости (и образующейся в результате шириной трещины). Большое вертикальное отверстие 912 на данной иллюстрации представляет собой вход для суспензии расклинивающего агента. Маленькое горизонтальное отверстие 914 представляет собой проход жидкости в полость. Для имитации различных пород можно применять подвижные пластины разной толщины, изготовленные из разных материалов. Вокруг подвижной области (на стороне управления жидкостью) может потребоваться выполнить разгрузочный паз для обеспечения достаточной подвижной способности. Данный вариант осуществления позволяет открывать смоделированную щель-трещину, закачивая жидкость под постоянным давлением выше подвижной пластины 902 с последующим заполнением расклинивающим агентом. После этого можно смоделировать закрытие трещины посредством медленного понижения давления жидкости со стороны трещины, позволяя подвижной стенке сомкнуться вокруг расклинивающего агента.
В некоторых других вариантах осуществления настоящего раскрытия сущности пористую пластину располагают внутри зазора для потока жидкости в испытательной кювете. В таких вариантах осуществления, свет проходит через пористую плиту, и испытательная жидкость тоже проходит сквозь нее в результате контролируемого просачивания. На ФИГ. 10 показана такая конструкция в поперечном разрезе. Показана часть испытательной кюветы 1000, которая включает пористую пластину 1002, которая может представлять собой лист спеченного полиэтилена, который допускает контролируемую утечку, например, расположенную между первой увлажняемой текстурированной пластиной 1004 и второй увлажняемой текстурированной пластиной 1006. В некоторых случаях пористую пластину 1002 изготавливают из светопроводящего материала. Пористая пластина 1002 имеет отдельные зоны утечки жидкости (показано шесть), которые обеспечивают изучение локализованных утечек и/или единообразный контроль посредством откачивания жидкости из каждой зоны с одинаковой скоростью. Для герметизации одной из зон используют кольцевое уплотнение 1008. Прокладка 1010 задает ширину зазора 1012 для потока жидкости в испытательной кювете, который частично заполняет пористая пластина 1002. Два кольцевых уплотнения 1014 герметизируют испытательную кювету, изолируя испытательную жидкость, а кольцевые уплотнения 1016 используют в вакуумных зажимных приспособлениях, прижимающих текстурированные пластины к структурной опорной конструкции. В некоторых дополнительных вариантах, система испытательной кюветы, которая допускает контролируемый переток, включает множество пористых пластин (четыре или больше), которые вставляют с каждого края. Такая конструкция допускает проток испытательной жидкости без переноса песка (расклинивающего агента). В другом варианте преимуществом является возможность сочетать использование пористых пластин большой площади с описанной выше системой подвижных стенок для имитации утечки жидкости в пористый пласт при закрытии трещины.
В некоторых вариантах можно использовать текстурированные пластины, включающие регулируемые ступени, которые при сдвиге пластин относительно друг друга позволяют ступенчато регулировать ширину зазора для потока жидкости в испытательной кювете. На ФИГ. 11 показана такая конструкция в поперечном разрезе. На ФИГ. 11 показана часть первой увлажняемой текстурированной пластины 1102 и второй увлажняемой текстурированной пластины 1104. Ступенчатые области 1106 и 1108 имеются в первой увлажняемой текстурированной пластине 1102 и во второй увлажняемой текстурированной пластине 1104, соответственно. Дополнительно каждую увлажняемую текстурированную пластину 1102 и 1104 фрезеруют с разными толщинами со смещением 1110 и 1112. В некоторых вариантах показанные ступенчатые области 1106 и 1108 могут имитировать пересечения естественной трещины, когда испытательная жидкость проходить сквозь карманы, образованные ступенчатыми областями 1106 и 1108 в области пересечения. Кроме того, ширину зазора, образованного в ступенчатых областях 1106 и 1108 можно регулировать сдвигом увлажняемых текстурированных пластин 1102 и 1104 относительно друг друга. Прокладочная пластина (не показана), расположенная по периметру кюветы регулирует/фиксирует ширину зазора для потока. Контрольная прокладка (прокладки) 1116 могут располагать в концах областей 1106 и 1108 для разнесения ступенчатых областей, как показано в приведенных дополнительных поперечных сечениях.
В некоторых аспектах настоящего раскрытия сущности структурные увлажняемые текстурированные пластины допускают значительную гибкость функционирования поверхностей. Увлажняемая текстурированная пластина 1200 может включать перфорированные отверстия 1202 и 1204 для добавки химреагентов или выемки образцов (как показано в виде спереди на ФИГ. 12). Отверстия для потока 1206 (показано восемь) могут образовывать в пластине таким образом, чтобы они были очень близко к зазору для потока жидкости. Отверстия могут располагать дальше от краев, чем это показано на фигуре, и могут быть больше или меньше; отверстия термопары, также могут быть легко расположены в любом положении. Датчики электрических соединений можно устанавливать или заформовывать в текстурированную пластину. Увлажняемую текстурированную пластину с совпадающими текстурами, выполненными посредством механической обработки, можно также использовать для имитации совпадения поверхностей горной породы, расколотой надвое. В некоторых случаях посредством механической обработки лицевой стороны увлажняемых текстурированных пластин можно изготавливать текстуры реальных горных пород (или математически смоделированные имитации текстур горных пород).
По существу, устройства, созданные согласно способам настоящего раскрытия сущности и используемые в указанных способах осуществления, имеют конструкцию и устройство, достаточное, чтобы выдержать предусматриваемые скорости закачки жидкости, давления закачки и температуры при нагнетании жидкости в текстурированный зазор для ее потока при визуализации или ином способе анализа поведения жидкости/частиц, а также их характеристик, при их прохождении указанного зазора. Основные компоненты устройства хорошо известны специалистам в данной области. Компоненты включают следующий неограничивающий список оборудования: цилиндры/поршни, источники питания, трубопроводы, клапаны, рамы и крепежные детали, средства осуществления поставок и утилизации образцов, электродвигатели, коммутационная и регулирующая аппаратура, компьютеры, спектрофотометры, источники рентгеновского излучения, измерительные преобразователи и тому подобное.
Вышеупомянутое описание вариантов осуществления предоставлено для иллюстративных и описательных целей. Приводятся примеры вариантов осуществления так, чтобы настоящее раскрытие сущности было достаточно полным и сообщало объем его применения специалистам в данной области. Приводятся многочисленные специфические подробности, такие как примеры конкретных компонентов, устройств и способов для обеспечения полного понимания вариантов осуществления настоящего раскрытия сущности, но без намерения сделать их исчерпывающими или ограничить настоящее раскрытие сущности. Следует понимать, что в рамках объема применения настоящего раскрытия сущности отдельные элементы или конструктивные особенности конкретного варианта осуществления по существу не ограничиваются этим конкретным вариантом осуществления, но, в тех случаях, когда это применимо, являются взаимозаменяемыми и могут применяться в выбранном варианте осуществления, даже если это конкретно не показано или не описано. То же самое может варьироваться большим количеством способов. Такие вариации не следует считать отхождением от настоящего раскрытия сущности, а также все подобные модификации включены в объем применения настоящего раскрытия сущности.
Кроме того, в некоторых примерах вариантов осуществления хорошо известные процессы, хорошо известные структуры устройств и хорошо известные технологии подробно не описываются. Специалистам в данной области также будет хорошо ясно, что могут присутствовать варианты в конструкции устройства, его дизайне, условиях, эрозии компонентов, зазорах между компонентами для получения эффекта, приведенного в описании настоящего раскрытия сущности в области конструкции, изготовления и эксплуатации устройства.
Несмотря на то, что в настоящей заявке для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или секций могут использоваться такие термины, как «первый», «второй», «третий» и т.д., указанные элементы, компоненты, области, слои и/или секции не следует ограничивать указанными терминами. Указанные термины могут использоваться для разграничения одного элемента, компонента, области, слоя или секции от другой области, слоя или секции. Используемые в настоящей заявке термины «первый», «второй», а также прочие числовые термины не подразумевают порядок или последовательность действий, за исключением случаев, когда в контексте указано иное. Таким образом, первый элемент, компонент, область, слой или секция, описанные ниже могут также называться вторым элементом, компонентом, областью, слоем или секцией без существенного отклонения от сущности и объема примерного варианта осуществления настоящего раскрытия.
В настоящей заявке могут использоваться термины пространственных отношений, такие как «внутренний», «внешний», «под», «ниже», «над», «выше», «верхний» и тому подобные, для облегчения описания отношения одного элемента или конструктивной особенности к другому элементу (элементам) или конструктивной особенности (особенностей), как показано на фигурах. Термины пространственных отношений могут предназначаться для различной ориентировки устройства в пространстве при использовании или при эксплуатации в качестве дополнения к ориентации, показанной на фигурах. Например, если устройство на фигурах перевернуто, элементы, описываемые как «нижние» или «ниже» других элементов или конструктивных особенностей тогда будут расположены «выше» других элементов или конструктивных особенностей. Таким образом, приводимый в качестве примера термин «ниже» может обозначать как расположение выше, так и ниже определенного элемента. Устройство может быть расположено по-другому (повернуто на 90 градусов или иным образом) и тогда приведенные в настоящей заявке описания пространственных отношений интерпретируются соответствующим образом. На представленных фигурах ориентация отдельных компонентов не является ограничивающей, они представлены таким образом и предназначены для понимания некоторых вариантов осуществления согласно настоящему раскрытию сущности.
Несмотря на то, что выше были подробно описаны несколько примеров осуществления, специалисты в данной области легко поймут, что возможны многие модификации приведенных вариантов без существенного отклонения от сущности и объема настоящего раскрытия. Соответственно, подобные модификации включены в объем настоящего раскрытия, как определено в формуле.
1. Устройство для моделирования щелевого протока жидкости, содержащее:
корпус испытательной кюветы, имеющей первую внешнюю поверхность, вторую внешнюю поверхность и полость, простирающуюся между первой внешней поверхностью и второй внешней поверхностью;
первую увлажняемую текстурированную пластину и вторую увлажняемую текстурированную пластину, которые расположены внутри указанной полости, причем между первой увлажняемой текстурированной пластиной и второй увлажняемой текстурированной пластиной образуют зазор для потока жидкости;
источник света, расположенный между второй увлажняемой текстурированной пластиной и второй внешней поверхностью; а также
смотровое окно, устроенное в первой внешней поверхности.
2. Устройство по п. 1, в котором первая увлажняемая текстурированная пластина и вторая увлажняемая текстурированная пластина содержат противолежащие сопрягаемые поверхности.
3. Устройство по п. 1 или 2, в котором первая увлажняемая текстурированная пластина и вторая увлажняемая текстурированная пластина содержат поверхности, имитирующие расколотую породу, поверхности с шестиугольными структурами, поверхности с муаровыми структурами или поверхности с мелкозернистыми структурами.
4. Устройство по п. 1, в котором первая увлажняемая текстурированная пластина и вторая увлажняемая текстурированная пластина являются прозрачными.
5. Устройство по п. 1, в котором первая увлажняемая текстурированная пластина и вторая увлажняемая текстурированная пластина имеют многомасштабные текстурированные структуры, в которых текстурированные структуры имеют микронный масштаб, масштаб от 1 мм до 5 мм, а также масштаб от 10 мм до 200 мм.
6. Устройство по п. 1, в котором первая внешняя поверхность содержит жесткую стойку, расположенную в пределах смотрового окна и смежную с первой увлажняемой текстурированной пластиной.
7. Устройство по п. 1, в котором множество прокладок располагают между первой увлажняемой текстурированной пластиной и второй увлажняемой текстурированной пластиной, в непосредственной близости к зазору для потока жидкости при образовании ширины зазора для потока жидкости.
8. Устройство по п. 1, в котором зазор для потока жидкости имеет регулируемую ширину.
9. Устройство по п. 8, в котором регулируемая ширина изменяется прогибом первой увлажняемой текстурированной пластины.
10. Устройство по п. 1 или 8, в котором первая увлажняемая текстурированная пластина и вторая увлажняемая текстурированная пластина имеют ступени, образованные на противолежащих поверхностях и в котором регулируемая ширина может изменяться посредством сдвижения первой увлажняемой текстурированной пластины и второй увлажняемой текстурированной пластины.
11. Устройство по п. 1, в котором часть зазора для потока жидкости содержит пористую пластину, расположенную внутри.
12. Устройство по п. 1, которое дополнительно содержит прозрачные средства нагрева и контроля температуры в зазоре для потока жидкости, причем указанные прозрачные средства для нагрева и контроля температуры располагают между первой увлажняемой текстурированной пластиной и корпусом, а также располагают между второй увлажняемой текстурированной пластиной и корпусом.
13. Устройство по п. 1, которое дополнительно содержит прозрачные средства нагрева и контроля температуры в зазоре для потока жидкости, расположенные в пределах корпуса или в непосредственной близости к нему.
14. Устройство по п. 1, которое дополнительно содержит опорную поверхность, расположенную в непосредственной близости от второй увлажняемой текстурированной пластины.
15. Устройство по п. 1, которое дополнительно содержит жидкость, расположенную внутри зазора для потока жидкости.
16. Устройство по п. 15, в которой жидкость представляет собой жидкость для обработки подземного пласта.
17. Устройство по п. 16, в котором жидкость для обработки подземного пласта содержит расклинивающий агент.
