АНАЛИЗ СЖАТЫХ ПЛАСТОВЫХ ФЛЮИДОВ
ANALYSIS OF COMPRESSED FORMATION FLUIDS

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
В данной заявке заявлен приоритет заявки на Патент США № 61/480017 от 28 апреля 2011 г., озаглавленной как «Анализ сжатых пластовых флюидов», и заявки на Патент США № 13/455688 от 25 апреля 2012 г., озаглавленной как «Анализ сжатых пластовых флюидов», которые полностью включены в настоящую работу в виде ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее раскрытие относится к системе для анализа пластовых флюидов, таких как нефть (сжатая), содержащая газообразные пластовые флюиды.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Бывают случаи, когда является желательным определение состава пластового флюида в целях разработки пласта, например определение газовых факторов, усадки флюида и расширенного состава. Эти флюиды обычно существуют или могут быть получены при повышенных давлениях и температурах. Хотя на некоторых морских платформах находится небольшая лаборатория для определения основных свойств флюида, места на платформе может не хватить для оборудования, необходимого для подробного анализа флюида. Поэтому проба, взятая на морской платформе, может быть перемещена на прибрежное испытательное оборудование. В некоторых случаях не имеет практического смысла устанавливать объемистое аналитическое оборудование на удаленных участках отбора проб, таких как глубоководные морские платформы, удаленные местоположения, слаборазвитые страны и сельская местность. В зависимости от местоположения морской платформы или сельского прибрежного участка отбора проб проба может пересечь сотни или тысячи миль, чтобы попасть на испытательную установку. Этот путь может потребовать значительного промежутка времени между моментом отбора пробы и временем осуществления анализа. Этот промежуток времени препятствует проведению частых испытаний и может снизить или иногда исключить вовсе проведение повторных испытаний. Время в пути повышает вероятность того, что проба будет испорчена и/или загрязнена и потребует дополнительных расходов, связанных с транспортировкой и временем, что приведет к удорожанию анализа. Если проба была загрязнена или испорчена в ходе сбора, транспортировки или чего-либо иного, загрязнение или порча могут не быть выявлены до того, как проба пересечет многие мили до достижения центральной испытательной установки. В таких случаях, когда возможно, отбирают другую пробу и транспортируют ее на центральное испытательное оборудование.
В некоторых случаях в лаборатории на морской платформе может быть проанализировано свободное пространство для пара, исходящего из жидкости, а не для самой жидкости. При том что этот способ позволяет осуществлять анализ на месте, анализ может дать меньше информации, чем это может быть желательным. Кроме того, когда анализ пластовых флюидов предусматривает мгновенное испарение, может потребоваться отдельное устройство для испарения пробы и сбора жидкой и паровой фазы, и в этом случае жидкую и паровую фазы обычно перемещают на другое устройство для анализа состава.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно одной особенности аналитическая система для сжатого пластового флюида включает кожух, имеющий первую хроматографическую подсистему, вторую хроматографическую подсистему и устройство для мгновенного испарения. Устройство для мгновенного испарения частично испаряет сжатый пластовый флюид с получением испаренного газа и пластовой жидкости. Испаренный газ течет по кожуху от устройства для мгновенного испарения ко второй хроматографической подсистеме через первую хроматографическую подсистему, и при этом первую и вторую хроматографические подсистемы приводят в действие одновременно или почти одновременно для выявления компонентов в пластовом флюиде.
Варианты воплощения включают один или более из следующих признаков. В некоторых случаях первая хроматографическая подсистема сконфигурирована для выявления фиксированных газов. Вторая хроматографическая подсистема может быть сконфигурирована для выявления углеводородов C1-C5. В определенных случаях первая хроматографическая подсистема включает первый термокондуктометрический детектор, а вторая хроматографическая подсистема включает второй термокондуктометрический детектор. Кожух может дополнительно включать третью хроматографическую подсистему, сконфигурированную для выявления углеводородов C1-C20. В качестве примера третья хроматографическая подсистема включает пламенно-ионизационный детектор.
Аналитическая система может включать капиллярную колонку для анализа газов, капиллярную колонку для анализа жидкостей и селекторный клапан. Капиллярную колонку для анализа газов и капиллярную колонку для анализа жидкостей можно соединить с пламенно-ионизационным детектором через селекторный клапан. В некоторых случаях третья хроматографическая подсистема включает капиллярную колонку для анализа газов. Аналитическая система может дополнительно включать канал, сконфигурированный для переноса испаренного газа из устройства для мгновенного испарения в первую хроматографическую подсистему. Температуру канала можно регулировать с использованием располагаемого тепла в системе анализа.
В некоторых воплощениях аналитическая система включает одиночную систему сбора данных, соединенную с первой хроматографической подсистемой, второй хроматографической подсистемой и устройством для мгновенного испарения. Одиночная система сбора данных может быть сконфигурирована для сбора данных, относящихся к составу испаренного газа и пластовой жидкости. Аналитическая система может также включать микропроцессор, соединенный с системой сбора данных, причем микропроцессор функционирует для оценки газового фактора сжатого пластового флюида исходя из данных, собираемых системой сбора данных.
В определенных воплощениях устройство для мгновенного испарения частично испаряет сжатый пластовый флюид с получением свободной воды наряду с испаренным газом и пластовой жидкостью. Пластовая жидкость может представлять собой уравновешенную пластовую жидкость. Аналитическая система представляет собой встроенный или автономный блок.
Другая особенность изобретения включает частичное испарение сжатого пластового флюида с образованием испаренного газа и пластовой жидкости, автоматическую подачу одиночной пробы испаренного газа последовательно на две хроматографические подсистемы, прием данных, относящихся к составу испаренного газа, от двух хроматографических подсистем с помощью одиночной системы сбора данных и количественное определение состава пластовой жидкости исходя из данных, собираемых одиночной системой сбора данных.
Воплощения могут включать один или более из следующих признаков. В некоторых случаях одиночная проба испаренного газа автоматически подается в третью хроматографическую подсистему последовательно с двумя хроматографическими подсистемами. В определенных случаях пластовая жидкость подается в третью хроматографическую подсистему. Данные, относящиеся к составу пластовой жидкости, полученные из третьей хроматографической подсистемы, могут быть получены с помощью одиночной системы сбора данных, причем данные, относящиеся к составу пластовой жидкости, и данные, относящиеся к составу испаренного газа, могут быть комбинированными и, таким образом, исходя из данных, собираемых одиночной системой сбора данных, может быть количественно определен состав сжатого пластового флюида.
В некоторых случаях конденсация испаренного газа может затормозиться перед автоматической подачей одиночной пробы испаренного газа последовательно на две хроматографические подсистемы. Торможение конденсации может включать, например, нагрев испаренного газа располагаемым теплом. В определенных случаях может быть оценено массовое отношение испаренного газа к пластовой жидкости.
Признаки систем и способов, описанных в настоящей работе, позволяют проводить автоматизированный анализ пробы сжатого пластового флюида без манипулирования пробой в ходе процесса анализа. Автономная природа аналитической системы, описанной в настоящей работе, позволяет определять параметры сжатого пластового флюида с использованием комплексного подхода, связанного с тем, что часть пробы не перемещают из внутренней части аналитической системы в другую систему или подсистему, расположенную вне кожуха аналитической системы. Преимущества также включают снижение потерь в пробе и ошибок, привнесенных оператором. В дополнение, тормозится конденсация тяжелых углеводородов.
Эти основные и специфические особенности могут быть воплощены с использованием устройства, системы или способа или любого сочетания устройств, систем или способов. Подробности одного или более вариантов воплощения изложены в прилагаемых чертежах и описании, приведенном ниже. Другие признаки, задачи и преимущества изобретения станут ясными из описания и чертежей, а также из формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Идеи, приведенные ниже, могут быть более полно поняты с учетом следующего подробного описания различных вариантов воплощения применительно к прилагаемым чертежам, на которых:
ФИГ. 1А представляет собой вид спереди аналитической системы;
ФИГ. 1B представляет собой вид сверху аналитической системы, отображенной на ФИГ. 1A;
ФИГ. 2A представляет собой вид спереди устройства для мгновенного испарения;
ФИГ. 2B представляет собой вид сбоку устройства для мгновенного испарения согласно ФИГ. 2A;
ФИГ. 2C представляет собой вид изнутри устройства для мгновенного испарения согласно ФИГ. 2A;
ФИГ. 3 представляет собой вид изнутри аналитической системы, отображенной на ФИГ. 1A и 1B;
ФИГ. 4 отображает хроматографию пробы, отобранной из равновесной жидкой пробы;
ФИГ. 5 отображает аналитические подсистемы в изотермической печи аналитической системы;
ФИГ. 6A и 6B представляют собой схемы первой аналитической подсистемы, отображенной на ФИГ. 5;
ФИГ. 7 отображает хроматографию пробы, отобранной из аналитической подсистемы, отображенной на ФИГ. 6A и 6B;
ФИГ. 8A и 8B представляют собой схемы второй аналитической подсистемы, отображенной на ФИГ. 5;
ФИГ. 9 отображает хроматографию пробы, отобранной из аналитической подсистемы, отображенной на ФИГ. 8A и 8B;
ФИГ. 10A и 10B представляют собой схемы третьей аналитической подсистемы, отображенной на ФИГ. 5;
ФИГ. 11 отображает хроматографию пробы, отобранной из аналитической подсистемы, отображенной на ФИГ. 10A и 10B;
ФИГ. 12 отображает последовательную схему клапана для введения пробы;
ФИГ. 13 отображает прибор для очистки отходящего газа и
ФИГ. 14 отображает прибор для титрования отходящего газа.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Аналитическая система, описанная в настоящей работе, представляет собой автономный блок, функционирующий для оценки газового фактора (gas to oil ratio GOR, или коэффициента содержания нефти в газе) и усадки флюида в пластовых флюидах, и может быть использована для расширенного анализа состава проб обогащенного испаренного газа и обедненного газа, а также испаренных равновесных жидкостей, конденсатов и нефтяных остатков. Анализ различных проб достигается без взаимного загрязнения, например, между обогащенными выделяемыми газами и обедненными газами или между расширенным природным газом и жидкостями (например, нефтяными остатками и конденсатами). Система может дать точные результаты вплоть до и включая C20 для проб газа и вплоть до и включая C35 для проб жидкости. В случае жидкостей содержание компонентов с числом атомов углерода более C35 определяют по балансу масс, и они рассматриваются в качестве одиночного компонента, называемого C36+.
ФИГ. 1A и 1B показывают соответственно вид спереди и сверху аналитической системы 100. Аналитическая система 100 включает газовый хроматограф 102, устройство для мгновенного испарения 104 и изотермическую печь 106. Аналитическая система 100 представляет собой устройство, пригодное для приема пробы сжатого пластового флюида и для анализа состава и других характеристик флюида (например, двух или более фаз флюида), без переноса пробы флюида или части пробы флюида (например, компонента пара) из внутренней части устройства в другую, внешнюю систему (например, подсистему), например, соединенную с устройством. Аналитическая система 100 представляет собой одиночный компактный блок, который может быть погружен на морскую платформу в одном контейнере, распакован и помещен в лабораторию на платформе для непосредственного анализа действующих флюидов. Для полного анализа состава пластового флюида на платформе не требуется наличия комплекта или сочленения дополнительных блоков.
Газовый хроматограф 102, устройство для мгновенного испарения 104 и изотермическая печь 106 должны быть встроены в общий кожух таким образом, чтобы пробы газа перемещались внутри (т.е. внутри кожуха) между устройством для мгновенного испарения и изотермической печью, между изотермической печью и газовым хроматографом и т.д. в терморегулируемой среде, не покидая аналитическую систему 100. Располагаемое тепло внутри аналитической системы 100 (например, тепло, генерируемое газовым хроматографом 102, изотермической печью 106 и т.д.) используется для нагрева газопроводов, по которым газ переносится между устройством для мгновенного испарения и изотермической печью, между изотермической печью и газовым хроматографом и т.д., вследствие чего можно избежать конденсации газа или компонентов газа. Например, для торможения конденсации газа или компонентов газа не требуется источника электропитания, нагревательной ленты и т.д.
Селектор 108 аналитической колонки соединен с клапаном внутри аналитической системы 100, и он позволяет пользователю или программисту выбирать (например, удаленно и/или автоматически) между капиллярной колонкой для анализа газов и капиллярной колонкой для анализа жидкостей, находящейся в газовом хроматографе 102, для анализа соответственно газовых и жидких проб. Изотермическая печь 106 включает три аналитические подсистемы, одна из которых соединена с капиллярной колонкой для анализа газов и все из которых соединены, образуя контуры отбора проб в подсистемах, наполняемых последовательно пробой с устройства для мгновенного испарения 104 или пробой, вводимой через газовый вход/выход 110, при выборе газоаналитической колонки в газовом хроматографе 102. Когда колонка для анализа жидкости выбрана, жидкая проба, вводимая через задний вход 114, попадает в колонку для анализа жидкости в газовом хроматографе 102. Аналитическая система 100 также включает контроллеры температуры 116 и 118. Контроллер температуры 116 контролирует температуру изотермической печи 106, а контроллер температуры 118 контролирует температуру линии для передачи газа, внешнего по отношению к аналитической системе 100, для торможения конденсации более тяжелых компонентов в передаточной линии.
Данные, полученные с аналитической системы 100 (например, с газового хроматографа 102 и устройства для мгновенного испарения 104), принимаются единственной, общей системой сбора данных 122 и обрабатываются микропроцессором 124. В определенных вариантах воплощения аналитическая система 100 сообщается с вычислительным устройством 126 (например, персональным компьютером), что облегчает обзор, анализ и управление данными, выходящими из аналитической системы для пластового флюида. В определенных вариантах воплощения вычислительное устройство 126 соединено с сетью, которая позволяет удаленному вычислительному устройству сообщаться с вычислительным устройством 126, а в некоторых случаях - удаленно управлять аналитической системой 100. В определенных вариантах воплощения вычислительное устройство 126 может позволять создавать связь между удаленной частью и оператором, предоставляя оператору инструкции по управлению аналитической системой 100.
Устройство для мгновенного испарения 104 представляет собой одну ступень устройства для мгновенного испарения, что позволяет испарять пробы до достижения ими атмосферных условий при наличии изоляции, накопления и измерения высвобожденных фаз (т.е. газа, нефти и воды). Изоляция и измерения соответствующих фаз позволяет определять газовый фактор (GOR), усадку флюида и также составы газа и жидкости, а также расчет текущей плотности, исходя из баланса масс. ФИГ. 2A, 2B и 2C показывают соответственно виды спереди, сбоку и изнутри устройства для мгновенного испарения 104.
Пикнометр 200, содержащий сжатую пробу флюида, связан через клапан 202 с входом 204 устройства для мгновенного испарения 104 по линии 206. Пикнометр 200 может быть удален из устройства для мгновенного испарения 104 и перемещен для сбора проба флюида. В данном примере оператор переносит пикнометр 200 из устройства для мгновенного испарения 104 в место, где проба должна быть собрана, собирает пробу, а затем возвращает пикнометр 200 в устройство для мгновенного испарения 104. Это устраняет необходимость в перемещении пробы флюида между несколькими сосудами, например между местом сбора пробы и промежуточным пробоотборником и между промежуточным пробоотборником и пикнометром 200. В других вариантах воплощения пикнометр 200 остается соединенным с устройством для мгновенного испарения 104 в течение всего периода эксплуатации, а проба флюида накапливается и осаждается в пикнометре, например, через промежуточный пробоотборник.
Пикнометр 200 внутри образует удлиненную полость, которая плотно вмещает в себя поршень. Поршень делит удлиненную полость на две отдельные камеры: камеру для перемещения флюида (сжатой жидкости или газа) и отборную камеру. Отборная камера функционирует для приема пробы флюида через клапан 202. После приема пробы флюида клапан 202 закрывают для удержания пробы флюида в отборной камере. Максимальный объем пикнометра 200 точно калибруют для измерения давления и температуры. Дополнительно, должна быть точно известна «сухая» масса пикнометра 200. Таким образом, объем пробы флюида может быть определен путем регулировки максимального объема отборной камеры для измерения в ней температуры и давления пробы флюида. Массу пробы флюида можно определить путем взвешивания пикнометра 200, содержащего пробу флюида, и вычитания сухой массы пикнометра. Плотность пробы флюида может быть определена путем деления выявленной массы на выявленный объем.
3
Размер пикнометра 200 может быть выбран для облегчения работы оператора. С сосудом с меньшим размером оператору легче обращаться и переносить его. В одном случае пикнометр 200 обладает внутренним объемом приблизительно 10 см, будучи откалиброванным на 1000 psi (фунт на квадратный дюйм) и 20°C и сконструированным из нержавеющей стали 316. Для облегчения удаления и возвращения пикнометра 200 в устройство для мгновенного испарения 104 выход пикнометра 200 может быть соединен с быстроразъемным соединением, которое позволяет легкую установку и удаление пикнометра из остального устройства для мгновенного испарения 104. В определенных вариантах воплощения в одном или более местоположениях устройства для мгновенного испарения 104 используют патрубки с низким мертвым пространством, например, соединения с пикнометром 200.
Как было указано выше, пикнометр 200 включает поршень, который делит удлиненную полость на камеру для перемещения флюида и отборную камеру. Пикнометр 200 может дополнительно включать клапан 208, имеющий связь с камерой для перемещения флюида. С помощью открытого клапана 208 флюид, исходящий из камеры для перемещения флюида, течет в пикнометр 200 через клапан 208 по линии 210. Прием пробы флюида в отборную камеру заставляет поршень в удлиненной полости расширять отборную камеру и уменьшать камеру для перемещения флюида. Приводимый в движение флюид может быть введен через клапан 208 для уплотнения камеры для перемещения флюида. Давление в камере для перемещения флюида воздействует через поршень на пробу флюида в отборной камере. Когда клапан 202 открыт, давление в отборной камере падает. Давление в камере для перемещения флюида заставляет поршень уменьшать отборную камеру и выталкивает пробу флюида из пикнометра 200. В некоторых случаях, например, когда проба флюида представляет собой газированную нефть под давлением, проба флюида может быть разделена на две фазы (т.е. пар и жидкость), когда клапан 202 открыт, а давление в отборной камере падает. Более тяжелая жидкофазная проба флюида затем накапливается у дна отборной камеры, а парофазная проба флюида поднимается кверху отборной камеры. Движение поршня выталкивает паро- и жидкофазную пробы флюида по линии 206 и во вход 204.
2
2
2
Рабочий флюид может черпаться из многих различных источников. В данном примере рабочий флюид представляет собой сжатый газ, хранящийся в канистре. Выход канистры может быть откалиброван или на выход из канистры может быть наложено ограничение таким образом, чтобы он мог измерять расход на выходе из канистры. В определенных вариантах воплощения канистра представляет собой стандартный 12-граммовый патрон для CO, такой как патроны, используемые для форсунок, снабжаемых CO. Стандартный 12-граммовый патрон для CO может прилагать рабочее давление приблизительно 1000 psig (манометрическое давление в фунтах на квадратный дюйм) к камере для перемещения флюида. В других примерах пробу флюида можно откачивать из отборной камеры другим образом. Например, для перемещения поршня можно использовать механическую или электромеханическую систему, такую как двигатель и зубчатая передача или червячно-реечная передача.
Сжатый газ или в некоторых случаях механический привод выталкивает флюид (т.е. газ и жидкость) из пикнометра 200 через игольчатый клапан 212. Снижение давления на игольчатом клапане 212 заставляет флюид претерпевать частичное испарение, называемое мгновенным испарением. Мгновенное испарение происходит в испарительной станции 214, расположенной между игольчатым клапаном 212 и измерительным клапаном 216. В некоторых случаях испарительная станция 214 имеет заднюю подсветку, что позволяет наблюдать пенообразование, образование эмульсий и другие рабочие проблемы в испарительной станции 214. Измерительный клапан 216 контролирует скорость потока флюида в линии 218, ведущей в приемник 220.
Приемник 220 имеет газонепроницаемое уплотнение 222 и помещен в камеру 224. Температура в камере 224 контролируется контроллером температуры 226, например, для поддержания содержимого приемника 200 при постоянной или почти постоянной температуре. В некоторых случаях контроллер температуры 226 соединяют с нагревательным элементом или охлаждающим элементом. Приемник 220 может быть охлажден охлаждающим элементом 35 для облегчения и/или усиления конденсации жидкости в приемнике. В данном примере контроллер температуры соединяют с устройством для эффекта Пельтье, сконфигурированным для переноса (например, посредством алюминиевого корпуса) и передачи путем теплопроводности тепла в приемник 220. В других вариантах воплощения охлаждающий элемент включает электрический охладитель, химический охладитель или другое устройство, сконфигурированное для одного или более режимов теплопередачи.
В определенных вариантах воплощения приемник 220 включает градуировки, которые позволяют визуально определять объем, накапливаемый в приемнике. «Сухая» масса приемника 200 перед приемом жидкой фазы может быть измерена точно. Масса жидкой фазы может быть затем определена путем измерения массы приемника 220 после приема жидкой фазы и вычитания сухой массы приемника. Плотность жидкой фазы может быть определена с помощью денситометра. Объем жидкой фазы, накапливаемой в приемнике 200, может быть определен на основании градуировки или путем деления массы жидкой фазы, содержащейся в приемнике, на плотность, определяемую посредством денситометра. В примере, где проба флюида включает газированную нефть, объемная усадка может быть определена путем сопоставления объема жидкой фазы, содержащейся в приемнике 220, с максимальным объемом, отрегулированным для давления и температуры, пробы флюида в пикнометре 200.
В определенных вариантах воплощения приемник 220 представляет собой пробирку центрифуги, которая может быть удалена из устройства для мгновенного испарения 104 и непосредственно, без перемещения флюида в другой сосуд, вставлена в центрифужное устройство. В примере, где проба флюида представляет собой газированную нефть, жидкая фаза может включать нефть, воду и захваченные твердые частицы. Центрифугирование жидкой фазы разделяет нефть, воду и твердые частицы и облегчает измерение, например визуально, с использованием градуировки, объема нефти, воды и твердых частиц. Объем и масса жидкой фазы в приемнике 220 могут быть скорректированы для воды и для осадка, восстанавливаемого во время центрифугирования, без необходимости во взятии другой пробы флюида.
Газ из приемника 220 течет по линии 228 в четырехканальный разделитель 230. Устройство для мгновенного испарения 104 снабжено цифровым датчиком давления 232 для мониторинга внутреннего давления системы на линии 234, ведущей от четырехканального разделителя 230. Внутреннее давление системы может быть отрегулировано до достижения атмосферного давления за счет перемещения стержня, прикрепленного к поршню 236 газометра 238, при течении пара из приемника 220 по линии 240 в газометр. Пар, выходящий из газометра 238, влияет на измерение количества накапливаемой паровой фазы. В определенных вариантах воплощения газометр 238 представляет собой газометр с плавающим поршнем, имеющий градуированный цилиндр, который герметично вмещает в себя поршень 236. В некоторых случаях поршень 236 может быть дополнительно, или в качестве альтернативы, соединен с градуированным валом (например, с ручкой плунжера), простирающимся от газометра 238. Поступление паровой фазы в гранулированный цилиндр смещает поршень 236, и объем паровой фазы может быть определен визуально из градуировки на газометре 238 (или на вале, если он предусмотрен). В некоторых случаях цилиндр продувают воздухом перед запуском в него паровой фазы для обеспечения точности измерений. Газометр 238 может включать внутреннюю мешалку (например, магнитную мешалку), работающую, например, в ходе или в конце каждого цикла накопления пара для обеспечения того, чтобы пар, содержащийся в газометре, был хорошо перемешан и имел однородный состав.
Газометр 238 помещен в оболочку 242. Температура газометра 238 регулируется контроллером температуры 244 (например, соединенным с нагревательным элементом) для поддержания содержимого газометра 238 при постоянной или почти постоянной температуре. Температуру и давление пара в газометре 238 регулируют таким образом, чтобы объем, определяемый с помощью газометра, можно было бы откорректировать до достижения стандартного состояния. В данном примере газометр 238 нагревают до (или поддерживают при) температуры примерно 50°C (120°F).
Плотность газа, накапливаемого в газометре 238, рассчитывают из его состава, в соответствии со стандартом GPA 2286 («Ориентировочный способ расширенного анализа для природного газа и аналогичных газовых смесей, осуществляемого путем газовой хроматографии с программируемой температурой», Ред. 1995 г., Общество переработчиков газа (Gas Processors Association, GPA)), который включен в настоящую работу в виде ссылки. Газовый фактор (GOR) рассчитывают из объемного соотношения газа (накопленного в газометре 238) и жидкости (накопленной в приемнике 220) при 15,6°C (60°F).
Для теплоизоляции или почти полной теплоизоляции части устройства для мгновенного испарения 104 от другой части устройства для мгновенного испарения может быть обеспечен изоляционный барьер. В определенных вариантах воплощения приемник 220 и четырехканальный разделитель 230 термически изолируют от газометра 238 для ослабления взаимодействия тепла, выделяющегося из нагревательного или охлаждающегося элемента, с жидкой фазой пробы.
Парофазные пробы флюида перемещаются из четырехканального разделителя 230 по линии 250 в клапан 252. Как изображено на чертеже, клапан 252 представляет собой трехходовой селекторный клапан, используемый для направления потока газа в устройство для мгновенного испарения 104. Когда клапан 252 находится в положении I, газ из устройства для мгновенного испарения 104 течет внутрь (т.е. внутри аналитической системы 100) газового хроматографа 102 по линии 254. Когда клапан 252 находится в положении II, клапан закрыт, а газ содержится в устройстве для мгновенного испарения 104. Когда клапан 252 находится в положении III, избыточный газ покидает устройство для мгновенного испарения 104 через выпускной канал 256 (например, после того как газообразная проба была проанализирована). В некоторых случаях выпускной канал 256 бывает пригнан таким образом, чтобы, когда пробы содержат вредные или дурно пахнущие компоненты, для прогона избыточного газа через промывной раствор можно было бы использовать часть линии, представляющей собой пластмассовую трубку 1/16`` (например, как изображено на ФИГ. 13).
Устройство для мгновенного испарения 104 можно продувать газом-носителем (например, перед испарением пробы), соединяя источник газа-носителя с входом 204. С помощью игольчатого клапана открытой линии газа-носителя открывают игольчатый клапан 212 и измерительный клапан 216. Клапан 252 приводят в положение I, и аналитическая система 100 подвергается продувке. Сразу после завершения продувки аналитической системы 100 клапан 252 закрывают, затем закрывают соответственно измерительный клапан 216 и игольчатый клапан 212 для обеспечения того, чтобы газ-носитель оставался в системе. Линию газа-носителя затем отсоединяют от входа 204, а пикнометр 200, заполненный однофазным сжатым флюидом, соединяют с входом.
Состав пробы флюида, загруженной в пикнометр, можно рассчитать из расширенного состава каждой равновесной фазы (газообразного, жидкого углеводорода) в соответствии с оценкой, данной газовым хроматографом 102, и с математической рекомбинацией соответствующих фаз. Газ из газометра 238 можно подавать в газовый хроматограф 102 по линии 254 с клапаном 252, находящимся в положении I. Жидкость из приемника 220 устройства для мгновенного испарения 104 можно подавать на газовый хроматограф 102 через задний вход 114. Введение пробы можно выполнять вручную или с использованием автоматического пробоотборника. Примером подходящего автоматического пробоотборника является пробоотборник Agilent GC Autosampler, модель 7673, выпускаемый компанией Agilent Technologies, Inc. (Санта-Клара, Калифорния).
ФИГ. 3 представляет собой вид изнутри аналитической системы 100. В данном примере газовый хроматограф 102 представляет собой газовый хроматограф Agilent 7890 GC, выпускаемый компанией Agilent Technologies, Inc., модифицированный, как описано в настоящей работе, для осуществления переключения между двумя специальными аналитическими колонками: одной - для газа (например, поступающего из газометра 238 устройства для мгновенного испарения 104) и одной - для жидкости (например, из приемника 220 устройства для мгновенного испарения 104). Как изображено на ФИГ. 3, газовый хроматограф 102 включает колонку для анализа газа 300 (например, капиллярную неполярную колонку для определения точки кипения), соединенную с передним входом 112, и колонку для анализа жидкости 302 (например, капиллярную неполярную колонку для определения точки кипения), соединенную с задним входом 114. Передний вход 112 соединяют с разделителем 304, и его можно использовать в режиме разделения или отсутствия разделения. В данном примере передний вход 112 функционирует в режиме разделения с разделением газа-носителя на 5 частей на 1 часть пробы. Проба, подаваемая на передний вход 112, течет в колонку для анализа газа 300. Проба может представлять собой, например, пробу, полученную из баллона для сжатого газа, такого как эталонный градуировочный баллон. Газ-носитель (например, водород или гелий) можно подавать на разделитель 304 по линии 306 для проталкивания пробы через колонку для анализа газа 300 или для промывания колонки для анализа газа после прогона пробы.
Обе колонки - колонку для анализа газа 300 и колонку для анализа жидкости 302 - соединяют с клапаном 308. Как изображено на чертеже, клапан 308 представляет собой четырехпутевой клапан, выпускаемый компанией Valco Instruments Co. Inc., (Хьюстон, Техас). Селектор 108 аналитической колонки также соединяют с клапаном 308. Селектор 108 аналитической колонки управляет клапаном 308 в клапанной коробке 310 для селективного соединения колонки для анализа газа 300 или колонки для анализа жидкости 302 с пламенно-ионизационным детектором 312. При выборе колонки для анализа газа 300 линию 314, идущую от колонки для анализа газа 300, соединяют с линией 316, а линию 318, идущую от колонки для анализа жидкости 302, соединяют с линией 320 таким образом, чтобы проба из колонки для анализа газа 300 текла в пламенно-ионизационный детектор 312, а колонка для анализа жидкости 302 вентилировалась бы за счет входа/выхода 110 для газа. При выборе колонки для анализа жидкости 302 линию 318, идущую из колонки для анализа жидкости 302, соединяют с линией 316, а линию 314, ведущую из колонки для анализа газа 300, соединяют с линией 320 таким образом, чтобы проба из колонки для анализа жидкости 302 текла в пламенно-ионизационный детектор 312, а колонка для анализа газа 300 вентилировалась бы за счет входа/выхода 110 для газа.
Задний вход 114 является термопрограммируемым и расположен на входе колонки, используемом для анализа жидких углеводородов, в диапазоне от легких конденсатов до тяжелых нефтяных остатков. Перед прогоном жидкой пробы определяют массу и плотность пробы при заданной температуре (например, 15,6°C), например, способом, известным любому обычному специалисту в данной области техники. Ввод жидкой пробы выполняют с помощью автоматического пробоотборника (например, Agilent 7683 B, выпускаемого компанией Agilent Technologies, Inc.). Компоненты пробы идентифицируют по времени удержания, а состав пробы рассчитывают с использованием модифицированной версии газового хроматографа 102 (т.е. с внешним стандартным количественным определением и группированием на псевдокомпоненты) согласно стандарту GPA 2186-02 («Способ для расширенного анализа смесей жидких углеводородов, содержащих азот и диоксид углерода, путем термопрограммируемой газовой хроматографии», - Ред. и утверждено в качестве Стандарта-2002 Общества переработчиков газа), который включен в настоящую работу в виде ссылки. Компоненты пробы, включая C1-C35 и неэлюируемую часть (C36+), с общим содержанием 100 мас.%, с элюированием углеводородов после н-пентана были сгруппированы и количественно определены в качестве пседокомпонентов, за исключением многочисленных циклических и ароматических соединений. ФИГ. 4 отображает хроматограмму жидкой пробы (помечено несколько пиков), полученных из аналитической системы 100.
2
2
2
Аналитическая система 100 включает три аналитические подсистемы для анализа проб газов (например, из газометра 238 устройства для мгновенного испарения 104), включая выявление и количественное определение углеводородов C1-C5, фиксированных газов (например, He или H, N, O, CO и т.п.) и расширенный анализ природного газа (например, C6-C20). Аналитические подсистемы находятся в соответствии с опубликованными способами GPA 2261 («Анализ для природного газа и аналогичных газовых смесей, осуществляемый путем газовой хроматографии», Ред. 2000 г., Общество переработчиков газа), которые включены в настоящую работу в виде ссылки, и GPA 2286. Как изображено на ФИГ. 5, части этих аналитических подсистем помещены в изотермическую печь 106.
2
2
2
Аналитическую подсистему 500 используют для обнаружения и количественного определения фиксированных газов, включая газ-носитель (H или He, в зависимости от выбора газа-носителя), O, N и т.п. Как изображено на чертеже, аналитическая подсистема 500 включает десятипутевой клапан 502, выпускаемый компанией Valco Instrument Co. Inc., контур отбора проб 504, предварительную колонку 506, аналитическую колонку 508 с молекулярным ситом, термокондуктометрический детектор 510 и регулятор потока 512. Предварительная колонка 506 представляет собой колонку из пористого полимера, а аналитическая колонка 508 с молекулярным ситом соединена с термокондуктометрическим детектором 510. Клапан 502 сконфигурирован для промывки противотоком в режиме вентиляции, что позволяет изолировать и смывать противотоком в выпускное отверстие компоненты, отличные от газа-носителя (например, водород или гелий), гелий, кислород, азот и метан. Газ-носитель облегчает разделение гелия, кислорода, азота и метана, которые подвергают элюированию в виде отдельных отличных друг от друга пиков. Аналитическая колонка 508 с молекулярным ситом может представлять собой приближенный (например, навитый) газометр 238, температура которого регулируется контроллером температуры 244, расположенным в устройстве для мгновенного испарения 104. Передаточные линии, ведущие в аналитическую колонку 508 с молекулярным ситом и термокондуктометрический детектор 510 и из них, прокладывают вблизи нагретых зон (например, инжектора 112, термокондуктометрического детектора 510 и внешней печи 106) для торможения или предотвращения конденсации газообразных углеводородов.
Как изображено на ФИГ. 6A, клапан 502 сначала устанавливают в положении «ОТКЛЮЧЕНО» на заполнении контура отбора проб 504. Для заполнения контура отбора проб 504 газообразная проба попадает в клапан 502 через отверстие 1, выходит через отверстие 10, заполняя контур отбора проб 504, попадает в клапан снова через отверстие 3 и выходит через отверстие 2. При наполнении контура отбора проб 50 остаток подсистемы снабжается газом-носителем для обеспечения или поддержания потока-носителя во время анализа. Газ-носитель, который течет через колонки, помещенные в изотермическую печь, и повышает в них давление, контролируют с помощью газового хроматографа 102. Первый электронный контроллер 514 давления в газовом хроматографе 102 контролирует поток газа-носителя, промывающего противотоком предварительную колонку 506, и контролирует первоначально поток для аналитической подсистемы 500. Газ-носитель, выходящий из первого 514 электронного контроллера давления, попадает в клапан 502 через отверстие 4, выходит через отверстие 5 для промывки предварительной колонки 506, попадает снова в клапан через отверстие 9, выходит через отверстие 8 и течет через контроллер потока 512 перед выходом через вход/выход 110 для газа. Второй 516 электронный контроллер давления в газовом хроматографе 102 контролирует поток газа-носителя к аналитической колонке 508 с молекулярным ситом и на термокондуктометрический детектор 510. Газ-носитель из второго 516 электронного контроллера давления попадает в клапан 502 через отверстие 7, выходит через отверстие 6, проходя через аналитическую колонку 508 с молекулярным ситом, а затем выходит через термокондуктометрический детектор 510.
Когда аналитическая система 100 настроена на прогон пробы газа, клапан 502 переключают в положение «ВКЛЮЧЕНО», как изображено на ФИГ. 6B. Газ-носитель из первого 514 электронного контроллера давления попадает в отверстие 4 клапана 502, выходит через отверстие 3 и продавливает пробу через контур отбора проб 504 и в отверстие 10. Проба вместе с газом-носителем затем выходит из клапана 502 через отверстие 9, течет через предварительную колонку 506, попадает в клапан через отверстие 5, выходит через отверстие 6 и течет через аналитическую колонку 508 с молекулярным ситом к термокондуктометрическому детектору 510. Предварительная колонка 506 изолирует компоненты более тяжелые, чем метан, а аналитическая колонка 508 с молекулярным ситом изолирует и разделяет гелий, кислород, азот и метан. После экспериментального определения истекшего времени (например, 0,1-10 мин или 1,3-1,7 мин) клапан 502 переключается в положение «ВЫКЛЮЧЕНО», позволяя осуществить вентиляцию более тяжелых компонентов, захваченных в предварительной колонке 506, и прогон компонентов, захваченных в аналитической колонке 508 с молекулярным ситом, через термокондуктометрический детектор 510. ФИГ. 7 показывает хроматографию пробы (помечены главные пики) из аналитической подсистемы 500.
Аналитическую подсистему 520 используют для обнаружения и количественного определения углеводородов, включающих C1-n-C5, а также азота и/или кислорода (например, воздуха), диоксида углерода, сероводорода и более крупных углеводородов, чем n-C5 (т.е. C6+). Как изображено на чертеже, аналитическая подсистема 520 включает десятипутевой клапан 522, выпускаемый компанией Valco Instrument Co. Inc., контур отбора проб 524, предварительную колонку 526, аналитическую колонку 528 и термокондуктометрический детектор 530. Колонки 526 и 528 могут представлять собой неполярные насадочные колонки из нержавеющей стали 1/8". В данном примере предварительная колонка 526 имеет 18 дюймов в длину, а аналитическая колонка 528 имеет 30 футов в длину. Клапан 522 сконфигурирован согласно последовательно-реверсивному режиму, который позволяет компонентам, более тяжелым, чем гексаны (C6+), подвергнуться элюированию первыми в виде одного конгломерата пиков, с последующим элюированием азота и/или кислорода (например, воздуха), метана, диоксида углерода, этана, сероводорода, пропана, и-C4, н-C4, и-C5 и н-C5 - всех в виде отдельных пиков.
Как изображено на ФИГ. 8A, клапан 522 сначала переключают в положение «ВЫКЛЮЧЕНО» для заполнения контура отбора проб 524. Для заполнения контура отбора проб 524 газообразная проба попадает в клапан 522 через отверстие 10, выходит через отверстие 1, заполняя контур отбора проб 524, попадает в клапан через отверстие 8 и выходит через отверстие 9. При заполнении контура отбора проб 524 остаток подсистемы снабжается газом-носителем для обеспечения или поддержания потока газа-носителя. Газ-носитель из третьего 532 электронного контроллера давления в газовом хроматографе 102 попадает в клапан 522 через отверстие 7, выходит через отверстие 6, течет через аналитическую колонку 528, попадает в клапан 522 через отверстие 4, выходит через отверстие 5, течет через предварительную колонку 526, попадает в клапан через отверстие 2, выходит из клапана через отверстие 3 и течет через термокондуктометрический детектор 530.
При настройке аналитической системы 100 на прогон газообразной пробы клапан 522 переключают в положение «ВКЛЮЧЕНО», как изображено на ФИГ. 8B. При использовании клапана 522, установленного в положение «ВКЛЮЧЕНО», газ-носитель из третьего 532 электронного контроллера давления течет в отверстие 7 клапана 522 из отверстия 8, переносит пробу по контуру отбора проб 524, попадает в клапан 522 через отверстие 1, выходит через отверстие 2 и в предварительную колонку 526. Из предварительной колонки 526 проба течет в клапан 522 через отверстие 5, выходит через отверстия 6, через аналитическую колонку 528, в клапан 522 через отверстие 4, выходит через отверстие 3 и попадает в термокондуктометрический детектор 530. Предварительная колонка 526 захватывает компоненты C6+, а аналитическая колонка 528 улавливает и разделяет компоненты более легкие, чем C6. При экспериментальном определении истекшего времени (например, 0,1-10 мин или 0,7-1,0 мин) клапан 522 переключают в положение «ВЫКЛЮЧЕНО», позволяя осуществить элюирование компонентов C6+ сначала в виде конгломерата пиков, затем в виде остатка индивидуальных отдельных компонентов C1-C5 через термокондуктометрический детектор 530. ФИГ. 9 показывает хроматографию пробы (помечены главные пики) из аналитической подсистемы 520.
Аналитическая подсистема 540 включает шестипутевой клапан 542, выпускаемый компанией Valco Instrument Co. Inc., контур отбора проб 544, колонку для анализа газа 300, четырехпутевой клапан 308 и пламенно-ионизационный детектор 312. Колонка для анализа газа 300 (в газовом хроматографе 102) разделяет углеводороды в диапазоне от метана (C1) до эйкозана (C20). Компоненты, элюирующие после нормального пентана (т.е. C6, C7, C8 и т.д.), сгруппированы как «псевдо»-компоненты, за исключением выбранных пользователем ароматических соединений и изомеров.
Клапан 542 исходно переключают в положение «ВЫКЛЮЧЕНО», как изображено на ФИГ. 10A, для заполнения контура отбора проб 544. Газообразная проба попадает в отверстие 1 клапана 542, выходит через отверстие 6, заполняет контур отбора проб 544, попадает в клапан 542 через отверстие 3 и выходит через отверстие 2. При заполнении контура отбора проб 544 остаток подсистемы снабжается газом-носителем при приготовлении к запуску процесса анализа. Газ-носитель из переднего входа 112 в газовом хроматографе 102 попадает в клапан 542 через отверстие 4, покидает клапан 542 через отверстие 5, течет через колонку для анализа газа 300 и клапан 308, затем выходит через пламенно-ионизационный детектор 312. При настройке аналитической системы 100 на прогон газообразной пробы клапан 542 переключают в положение «ВКЛЮЧЕНО», как изображено на ФИГ. 10B. Газ-носитель попадает в клапан 542 через отверстие 4, покидает клапан через отверстие 3, проталкивает пробу по контуру отбора проб 544 и входит в клапан 542 через отверстие 6, выходит из клапана 542 через отверстие 5 и входит в колонку для анализа газа 300. После прохождения через колонку для анализа газа 300 проба перемещается через клапан 308 и попадает в пламенно-ионизационный детектор 312. ФИГ. 11 показывает хроматографию пробы из аналитической подсистемы 540.
Изотермическая печь 106 (выпускаемая, например, компанией Varian, Inc., а теперь Agilent Technologies) вмещает в себя клапаны 502, 522 и 542, а также колонки 506, 526 и 528. Температура изотермической печи 106 регулируется контроллером температуры 116, находящимся вблизи верха газового хроматографа 102. Контроллер температуры 118 регулирует температуру передаточной линии 322 для передачи пробы из входа 110 для газа в источник внешней пробы, как в случае отбора пробы из баллона для пробы, изготовленного из нержавеющей стали, или из газового баллона. Все передаточные линии в аналитической системе 100 помещают в систему (например, в устройство для мгновенного испарения 104, в газовый хроматограф 102, в изотермическую печь 106 и т.д.) и нагревают таким образом, чтобы можно было избежать образования охлажденных участков. Таким образом, тормозится конденсация газообразных компонентов в передаточных линиях.
Клапаны 502, 522 и 542 соединяют, обеспечивая контуры отбора проб постоянного объема, соединенные с этими клапанами, заполняемыми по очереди. Как изображено на ФИГ. 12, проба из устройства для мгновенного испарения 104 попадает в клапан 502 через отверстие 2. После заполнения контура отбора проб 504 газ вытекает из отверстия 2 клапана 502 и попадает в отверстие 1 клапана 542. После заполнения контура отбора проб 544 газ вытекает из отверстия 2 клапана 542 и попадает в отверстие 10 клапана 522. После заполнения контура отбора проб 524 газ вытекает из отверстия 9 клапана 522 и покидает систему через вход/выход 110 для газа. Когда мы имеем дело с пробами, содержащими ядовитые или токсичные компоненты (например, сероводород), линия может проходить от входа/выхода 110 для газа через промывной раствор 1300, как изображено на ФИГ. 13, вплоть до удаления ядовитых или токсичных компонентов из отходящего газа. В некоторых случаях, как изображено на ФИГ. 14, газ, выходящий из входа/выхода 110 для газа, можно подвергать барботированию через раствор 1400 для отделения известного компонента, а раствор можно титровать с использованием бюретки 1402.
При заполнении контуров отбора проб 504, 524 и 544 остальные аналитические подсистемы 500, 520 и 540 продувают газом-носителем. После заполнения контуров отбора проб и достижения паром равновесных температуры и давления клапаны 502, 522 и 542 одновременно переключают из положения «ВЫКЛЮЧЕНО» в положение «ВКЛЮЧЕНО», а газ-носитель проталкивает пробу пара по контурам отбора проб и вводит ее соответственно в термокондуктометрический детектор 510, термокондуктометрический детектор 530 и колонку для анализа газа 300, что позволяет осуществить ее обнаружение и количественное определение. Данные по пробе пара из аналитических подсистем 500, 520 и 540 собираются системой сбора данных 122 и обрабатываются микропроцессором 124. Данные по пробе пара можно комбинировать с данными по пробе жидкости, полученными, как было описано в настоящей работе применительно к ФИГ. 3 и 4, с получением состава пробы (например, не переработанного флюида), извлекаемой из пикнометра 200.
В некоторых случаях вход/выход 110 для газа можно использовать для создания противотока газа по линиям для пробы и в газометр 238. В данном примере источник газа-носителя, соединенный с входом/выходом 110 для газа, используют для вымывания пробы или атмосферного воздуха из аналитической системы 100. Газ-носитель течет в клапан 522 из клапана 522 в клапан 542, из клапана 542 в клапан 502 и из клапана 502 в газометр 238 в устройстве для мгновенного испарения 104.
Микропроцессор 124, изображенный на ФИГ. 1A, позволяет осуществлять автоматизированное управление аналитической системой 100, включая распознание равновесия флюида, точное устанавливание и считывание температуры, давления и объема устройств, - все из которых могут повлиять на достоверность генерируемых данных. Автоматическое управление может быть внедрено с использованием аппаратного или программного обеспечения или их обоих. Программное обеспечение может быть сконфигурировано для запуска протоколов испытаний с, насколько возможно, минимальным вмешательством оператора и может осуществлять полный мониторинг и управление давлением, подсчетными параметрами и температурой. В некоторых случаях программное обеспечение сконфигурировано для регулирования (например, поддержания или изменения) объема пробы при проталкивании газа, жидкости и/или твердых частиц, например, из устройства для мгновенного испарения 104 в газовый хроматограф 102. В ходе этого процесса давление, объем, температуру и хроматографические данные регистрируют, позволяя осуществлять расчет желаемых свойств (например, свойств P-V-T (давления, объема, температуры)). В данном примере клапан 252 работает автоматически, вследствие чего проба флюида из пикнометра 200 претерпевает мгновенное испарение, и проба пара течет непосредственно из устройства для мгновенного испарения 104 в газовый хроматограф 102. Клапаны 502, 522 и 542 также могут работать автоматически, вследствие чего проба пара из устройства для мгновенного испарения 104 последовательно заполняет контуры отбора проб 504, 524 и 544, и течение пара пробы из контуров отбора проб в пламенно-ионизационный детектор 312 и в термокондуктометрические детекторы 510 и 530 начинается почти одновременно.
Принимая во внимание данное описание, дополнительные модификации и альтернативные варианты воплощения различных особенностей должны быть ясными специалистам в данной области техники. Следовательно, данное описание должно рассматриваться лишь как иллюстративное. Следует понимать, что формы, изображенные и описанные в настоящей работе, приведены лишь в качестве примеров вариантов воплощения. Элементы и материалы могут быть заменены элементами и материалами, проиллюстрированными и описанными в настоящей работе, детали и процессы могут быть представлены в обратном порядке, а определенные признаки могут быть применены независимо друг от друга, и все это должно быть понятно специалисту в данной области техники после применения настоящего описания. В элементах, описанных в настоящей работе, могут быть сделаны изменения без отступления от сущности и объема, описанных в следующей формуле изобретения.