Устройство для исследования PVT-соотношений пластовых флюидов

Полезная модель относится к устройствам для изучения фазового поведения углеводородов и может быть использована в нефтяной и газовой промышленности для определения основных PVT-соотношений глубинных и рекомбинированных проб пластовых флюидов, в том числе, критических газоконденсатных систем, приведенных к термобарическим условиям их залегания.
Известно устройство для исследования PVT-соотношений газожидкостных смесей, включающее полый вертикальный цилиндрический корпус, охваченный термостатирующей оболочкой, размещенный в корпусе блок визуализации с выполненными соосно с корпусом воронкообразными торцами и соединяющим их сквозным каналом, размещенные снизу и сверху блока визуализации, перемешивающие приспособления и поршни со штоками, подводящий и отводящий патрубки, датчики давления и температуры [RU 1808127 С1, МПК G01N 33/26, G01N 7/14, G01N 7/00, опубл. 1993]. Оба поршня выполнены в виде конуса, сопряженного с цилиндром со стороны соединительного канала, а перемешивающие приспособления выполнены в виде конусообразных металлических колец, сужающихся от поршней к блоку визуализации и размещены соосно с корпусом с возможностью возвратно-поступательного движения. Термостатированная оболочка выполнена в виде последовательности изолированных электромагнитных обмоток, подсоединена к перемешивающему приспособлению и охватывает корпус сверху и снизу от блока визуализации.
Недостатком описанного устройства, как и большинства других выпускаемых, является конструкция блока визуализации с двумя расположенными напротив друг друга смотровыми стеклами малого диаметра, позволяющего наблюдать лишь малую часть объема PVT-ячейки, что затрудняет выявление и делает невозможным измерение небольших объемов выпавшей жидкой фазы, относительно небольшой оптический путь света в исследуемой среде затрудняет определение точки росы по ее потемнению.
Известна бомба равновесия для изучения фазового поведения углеводородов, состоящая из термостатируемого цилиндрического сосуда высокого давления с торцевыми и боковыми отверстиями со штуцерами, смотровыми окнами, источником света, внутри которого размещены верхний и нижний отражатели, жестко связанные между собой [RU 2235313 С1, МПК G01N 25/22, G01 N25/02 (2000.01), опубл. 2004]. Установка снабжена разделительным поршнем, который с фиксированным зазором прикреплен к нижнему отражателю, выполненному в виде цилиндра, одно основание которого содержит две зеркальные плоские грани, симметрично наклоненные к оси цилиндра под углом в 45, другое снабжено радиальной щелью, а также трубкой-байпасом, сообщающим через запорный вентиль надпоршневое и подпоршневое пространство между собой. Отражатели размещены с зазором относительно внутренней стенки сосуда и связаны между собой посредством прямоугольной перегородки с отверстием на уровне верхнего отражателя, выполненного в виде цилиндра, основание которого со стороны перегородки содержит внутренний вырез, образующий две симметрично наклоненные зеркальные поверхности под углом в 45 к оси цилиндра. Наличие прямоугольной перегородки с отверстием на уровне верхнего отражателя, зафиксированной с помощью двух канавок на внутренней поверхности сосуда перпендикулярно оси смотровых окон, позволяет наблюдать у смотрового окна лишь световой поток, идущий от отражателей, и тем самым устранить посторонний световой фон при регистрации момента потемнения (точки росы) исследуемой газоконденсатной системы.
Недостатком известной бомбы равновесия является то, что смотровые окна малого диаметра позволяют визуально наблюдать лишь малую часть рабочего объема камеры PVT, что затрудняет определение микрообъемов выпавшей жидкой фазы.
Известно перемешивающее устройство, в котором перемешивающим устройством является поршень, перемещаемый посредством магнитной муфты, расположенной на цилиндре, вынесенным за пределы сосуда высокого давления и подключенным к нему через вентили [RU 190609 U1, МПК B01F 13/08 (2006.01), опубл. 2019].
К недостатку данного устройства можно отнести то, что при наличии в составе пробы высоковязких фракций, их перемешивание становится очень затруднительным.
Известно устройство, где перемешивание осуществляется посредством вращения сжимающейся пружинки, приводимой в движение вращающимся штоком поршня при изменении объема или аналогом магнитной мешалки, установленной на конце пружинки противоположном штоку поршня [RU 2448246 С1, МПК Е21В 47/00, G01N 7/00, B01F 13/08, опубл. 2012]. В устройстве обеспечивается перемешивание пробы по всему объему сосуда, но оно не может быть применено в условиях присутствия высоковязкой нефти.
Известно устройство фирмы Vinci Technologies для измерения термодинамических характеристик пробы текучей среды, содержащее термостатируемую камеру высокого давления, оснащенную поршнем, средства для перемешивания пробы, помещенные внутри камеры, механизм качения и средства визуализации положения границы раздела жидкость/газ [FR 2909770 В1, МПК G01N 33/28, опубл. 2009]. Жидкость перемешивается в ячейке с помощью перемешивающих средств в форме усеченного конуса, приводимых в движение вращающимся магнитным полем. На поверхности усеченного конуса выточены канавки, например, в форме полой спирали. При вращении в жидкости образуется вихрь, что позволяет получить эффективное перемешивание. Конструктивное выполнение обеспечивает создание во внутреннем пространстве ячейки минимального мертвого объема. В процессе непрерывной работы механизма качения перемешивающее средство постоянно перемещается от одного конца к другому, тем самым, обеспечивая перемешивание пробы по всему объему ячейки, даже в присутствии высоковязких фаз вещества. Однако этот способ ведет к существенному усложнению конструкции и увеличению ее габаритный размеров.
При создании полезной модели решается техническая проблема, состоящая в расширении арсенала технических средств, в том числе в рамках импортозамещения, путем разработки устройства для исследования PVT-соотношений пластовых флюидов, предназначенных при проведении термодинамических исследований скважинной продукции для определения основных PVT-соотношений глубинных и рекомбинированных проб пластовых флюидов, в том числе критических газоконденсатных систем, приведенных к термобарическим условиям их залегания.
Технический результат, состоящий в реализации указанного назначения, достигается тем, что устройство для исследования PVT-соотношений пластовых флюидов содержит охваченный терморубашкой цилиндрический корпус с рабочей камерой ячейки высокого давления для исследуемой пробы, поршня и перемешивающего средства в виде металлического кольца, которое установлено в корпусе с возможностью попадания в кольцевую канавку (проточку), выполненную по периметру поршня, торец которого имеет зеркальную поверхность. Корпус оборудован смотровым стеклом, обеспечивающим обзор всего объема камеры. Над смотровым стеклом установлены светочувствительный элемент и источник света постоянной интенсивности. Корпус устройства выполнен с возможностью поворота, установки средств для измерения температуры и давления.
Конструктивное выполнение устройства позволило создать PVT-ячейку высокого давления с малым объемом рабочей камеры, что наиболее подходит для задачи по определению давления насыщения по нефти и определения давления начала кипения конденсата экспресс-методом (не требуется большого количества пробы для определения Рнас и Рнач.кип). Наличие зеркальной поверхности торца поршня позволяет устранить посторонний световой фон при регистрации момента потемнения. Конструктивное выполнение головки поршня с кольцевой канавкой для расположения металлического кольца для механического перемешивания пробы обеспечивает повышение эффективности перемешивания пробы при минимизации мертвого объема ячейки, что позволяет эффективно поводить исследования на пробах малого объема. Использование в качестве перемешивающего средства конструкции гравитационной мешалки в виде металлического кольца в сочетании с поворотом ячейки на 180 градусов, обеспечивает минимизацию мертвого объема за счет того, что поршень вплотную подвигается к смотровому стеклу, что позволяет эффективно перемешивать исследуемую пробу во всем объеме рабочей камеры ячейки высокого давления. Эффективность перемешивания играет важную роль, так как при понижении давления происходит эндотермический процесс, сопровождаемый потерей тепла, и, в случае отсутствия перемешивания всего объема исследуемой пробы, первые свободные пузырьки газа выделяются позже, а при эффективном перемешивании происходит дополнительный обмен тепла, и значения Рнас и Рнач.кип получаются истинными. Расположение смотрового стекла по торцу цилиндрического корпуса обеспечивает организацию визуального наблюдения. Жидкостное термостатирование и малый объем рабочей камеры ячейки высокого давления позволяют эффективно создавать необходимые температуры для эксперимента. Устройство позволяет эффективно поводить исследования на пробах малого объема и за счет этого уменьшить массогабаритные характеристики установки в целом.
Полезная модель поясняется иллюстративным материалом, где на фигуре схематично показано устройство для исследования PVT-соотношений пластовых флюидов.
Устройство для исследования PVT-соотношений пластовых флюидов содержит цилиндрический корпус 1 PVT-ячейки, смотровое стекло 2, вентили высокого давления 3, термостатирующую рубашку 4, шток 5 поршня, используемый для создания давления и изменения объема, втулку 6, опорные подшипники 7, перемешивающее средство 8, источник света 9, светочувствительный (фоточувствительный) элемент 10.
PVT-ячейка представляет собой контрольно-измерительный модуль, в котором осуществляется анализ газоконденсатной пробы, находящейся под давлением, с контролем давления и температуры пробы. PVT-ячейка однокамерная с одним рабочим поршнем и торцевым смотровым контрольным окном на противоположной стороне корпуса является функциональной основой устройств для исследования PVT-соотношений пластовых флюидов. При разработке устройства выбран механический способ задания давления -изменение объема и давления происходит путем перемещения поршня, приводимого в движение серводвигателем через понижающий редуктор. Использование серводвигателя дает возможность точно определять положения поршня и, как следствие, объема PVT-камеры посредством определения количества оборотов и угла поворота вала двигателя.
Корпус 1 PVT-ячейки представляет собой трубчатую конструкцию, выполненную, например, из легированной стали 30X13. В верхней части корпуса 1 расположено смотровое стекло 2, например, высокопрочное оптическое кварцевое стекло, прижимаемое крышкой PVT-ячейки. Крышка корпуса 1 оборудована контрольным торцевым смотровым окном, перед которым расположен светочувствительный элемент 10. Торцевое окно обеспечивает хороший обзор внутреннего пространства рабочей камеры PVT-ячейки, что позволяет с высокой точностью определять даже небольшие объемы выпавшего конденсата.
Корпус 1 PVT-ячейки помещен в термостатирующую рубашку (кожух), заполняемую от внешнего жидкостного термостата подогретым теплоносителем (например, маслом ПМС - 100), для чего снабжен штуцерами подачи теплоносителя. Для термостабилизации PVT-ячейки может использоваться серийно выпускаемый жидкостный лабораторный термостат с циркуляционным насосом.
Для регистрации состояния анализируемой пробы в качестве светочувствительного элемента 10 может быть применена, например, видеокамера высокого разрешения, закрепленная на кронштейне над контрольным смотровым окном на фиксированном расстоянии. Видеокамера, передающая (в режиме реального времени) на технологический управляющий персональный компьютер (далее - ПК) изображение состояния анализируемой пробы внутри рабочей камеры PVT-ячейки, может быть выполнена с необходимой оснасткой и снащена программным обеспечением для подключения к компьютеру.
В рабочей камере PVT-ячейки расположен подвижный поршень с герметизирующими кольцами, выполненными, например, из фторсиликоновой резины. Шток 5 поршня имеет трапециевидную упорную резьбу, сопряженную с резьбой во втулке 6, посаженной на опорный подшипник 7. Втулка 6 приводится во вращательное движение зубчатым колесом редуктора механизма привода создания давления в рабочей камере PVT-ячейки. Привод приводится в движение отдельным серводвигателем, управляемым технологическим компьютером через контроллер и соответствующий драйвер, что позволяет изменять скорость и направление вращения зубчатого колеса, передающего вращение на втулку 6, перемещающую шток поршня 5. Прямолинейность поступательного движения поршня (в обе стороны по рабочей камере PVT-ячейки) обеспечивается направляющей шпонкой, находящейся внизу корпуса 1, по которой перемещается паз штока 5 поршня.
Устройство снабжено перемешивающим средством 8 в виде металлического кольца, перемещающегося посредством воздействия на него гравитационных сил при вращении камеры PVT-ячейки. В поршне имеется кольцевая канавка (проточка), в которую по окончании перемешивания входит металлическое кольцо 8, тем самым, обеспечивая большую точность определения объема пробы.
Устройство выполнено с возможностью оснащения поворотным механизмом (механизмом качения), позволяющим вращать PVT-ячейку с пробой пластового флюида на 180° вдоль горизонтальной оси, обеспечивая перемешивание пробы по всей величине камеры PVT-ячейки. Механический привод качания PVT-ячейки для перемешивания исследуемой пробы, конструктивно может состоять из червячного узла и опоры червячного колеса (не является предметом технического решения).
В оголовке корпуса 1 расположены резьбовые отверстия: для установки датчика давления, датчика температуры, вентилей высокого давления 3, регулирующих или перекрывающих давление в каналах входа/выхода пробы; для присоединения штуцеров шлангов подачи пробы (рукавов высокого давления). В качестве датчиков в конкретном примере выполнения устройства применены: датчик давления типа МИДА-ДИ-12П-11ТУ4212-044-18004487-03, датчик температуры (преобразователь термоэлектрический) типа ТП-1388 ТУ4211-013-13282997-2010.
Отверстия для присоединения штуцеров шлангов (рукавов) высокого давления и отверстия для вентилей соединены капиллярными каналами диаметром 3 мм с рабочей камерой PVT-ячейки. Вентили высокого давления 3 расположены напротив зоны внутренней полости PVT-ячейки 1, контролируемой через контрольное смотровое окно. Герметизация вентилей 3 в их гнездах может быть осуществлена кольцами из фторсиликоновой резины. Для создания давления в рабочей камере PVT-ячейки может быть использован электромеханический привод, управляемый с помощью программно-управляемых серводвигателей.
Предусмотрена связь с периферийными объектами, обеспечивающими прием информации от датчиков и передачу преобразованных сигналов по определенному протоколу обмена на ПК.
Изображение состояния анализируемой пробы осуществляется светочувствительном элементом 10, например, видеокамерой высокого разрешения, закрепленной на кронштейне над смотровым контрольным окном. Держатель видеокамеры позволяет изменять расстояние ее закрепления относительно крышки корпуса 1 PVT-ячейки.
Корпус 1 PVT-ячейки может иметь различную длину, объем, толщину стенки (в зависимости от необходимых давлений), различные стекла.
Высокая технологичность изготовления составных частей устройства и их сборки обусловлена использованием только стандартных технологических методов и приемов (механообработки, сварки, покрытий и тому подобное).
Устройство работает следующим образом.
Для перевода в PVT-ячейку глубинных проб пластового флюида пробоотборник нагревают до пластовой температуры в навесном модуле для выгрузки проб или в термостате отдельного стола для выгрузки проб. После тщательного перемешивания пробы путем раскачивания пробоотборника она переводится в PVT-ячейку по подогреваемым рукавам высокого давления (вводной и выводной линиями для ввода и откачки исследуемой пробы) путем подачи балластной жидкости (масла) от гидростанции в запоршневое пространство пробоотборника.
При работе с поверхностными пробами газоконденсатных систем, рекомбинация газовой и жидкой фазы производится непосредственно в PVT-ячейке, каждая из фаз переводится в ячейку аналогично глубинной пробы, для газовых проб вместо балластной жидкости используют давление воздуха, создаваемого компрессором через газовый бустер.
После перевода пробы в PVT-ячейку она приводится к требуемым давлению и температуре и тщательно перемешивается путем раскачивания PVT-ячейки. Для наилучшего перемешивания внутри PVT-ячейки размещена гравитационная мешалка 8. Давление насыщения может быть определено как визуально с помощью цифровой видеокамеры высокого разрешения 10, так и путем обработки получаемого ей изображения специальным программным обеспечением.
Расположенный перед смотровым стеклом 2 фоточувствительный элемент 10 регистрирует интенсивность света, отраженного от зеркальной поверхности торца поршня. Автоматизация процесса определения точки начала конденсации достигается путем регистрации резкого изменения интенсивности света, отраженного от зеркальной поверхности торца поршня. До выпадения конденсата интенсивность света изменяется пропорционально расстоянию по экспоненциальному закону, а при выпадении конденсата среда становится неоднородной и зависимость интенсивности света от расстояния становится отличной от ранее наблюдавшейся.
Определение объема жидкой фазы пластового флюида в PVT-ячейки производится специальным программным обеспечением по регистрируемому видеокамерой изображению и данным об угле наклона ячейки в данный момент времени.
Пример работы
Опытный образец установки выполнен с рабочим объем ячейки 300 см3, рабочее давление до 100 МПа и рабочая температуру для 100 С°.
После приготовления и загрузки рекомбинированной пробы в рабочей камере PVT-ячейки создают пластовую температуру, и ступенчато, осуществляя перемешивание смеси, поднимают давление до уровня пластового. После приведения пробы к пластовым термобарическим условиям ей дают отстояться без перемешивания и оценивают фазовое состояние. При отсутствии в камере PVT нерастворившейся жидкой фазы рекомбинированная проба считается аналогичной начальной пластовой и готовой к дальнейшим исследованиям. Наличие в камере PVT нерастворившейся углеводородной жидкости свидетельствует о поступлении на забой скважины пластового флюида в жидкой фазе или ошибке в определении промыслового газоконденсатного фактора.
После достижения пластового давления, давление в системе медленно уменьшают до максимально возможного увеличения объема камеры PVT-ячейки. До момента начала конденсации среда внутри камеры PVT-ячейки является однородной и интенсивность регистрируемого света зависит от расстояния до поршня 8 экспоненциально. В момент начала конденсации среда внутри камеры PVT-ячейки становится неоднородной, что приводит к резкому изменению интенсивности света, не укладывающемуся в ранее регистрируемую зависимость. Термобарические условия, при которых произошло резкое изменение интенсивности света, фиксируется программным обеспечением как условие начала конденсации без необходимости участия оператора.
Разработанное устройство может выполнять предварительные PVT-исследования непосредственно на промысле, что позволит не только повысить оперативность получения информации, но и решать технологические задачи контроля и оптимизации процесса разработки месторождений, при этом расширяется ассортимент устройств для PVT-исследований. Например, получение данных PVT-исследований непосредственно на месте выполнения работ позволяет корректировать условия отбора проб для достижения их наибольшей представительности, оперативно контролировать изменение фазового состояния пластовой системы при изменении режима эксплуатации, проведении ГТМ, введении химических реагентов и решать другие технологические задачи оптимизации разработки.
Таким образом, заявляемое устройство имеет простую, надежную конструкцию, обеспечивает эффективное перемешивание пробы по всему объему камеры для точной оценки фазового состояния пробы, находящейся в камере PVT-ячейки, и определения объемов жидкой фазы при заданных условиях, что позволяет выполнить поставленные технические задачи при проведении исследований и расширить ассортимент аналогичных технических средств.