МАГНИТНАЯ ПЕРЕМЕШИВАЮЩАЯ СИСТЕМА В ЯЧЕЙКЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ, ОБЪЕМА И ТЕМПЕРАТУРЫ
MAGNETIC MIXING SYSTEMS INCORPORATED WITH PRESSURE, VOLUME AND TEMPERATURE MEASUREMENT CELL

Настоящее изобретение относится к системе для перемешивания магнитно-связанным импеллером, которая используется при исследованиях давления, объема и температуры (ДОТ) пластовых флюидов и их свойств в лаборатории и на промысле.
В ДОТ-ячейках и конденсатных ячейках можно исследовать нефтяные флюиды при изменяющихся давлении и температуре, имитируя условия в нефтяном пласте до добычи и во время нее. Эти флюиды обычно содержат газ. Особый интерес представляют изменения в плотности флюидов (сжимаемость) и склонность газа выходить из раствора при уменьшающемся давлении.
ДОТ-ячейки оптимизированы для исследования нефти с растворенным газом, в то время как конденсатные ячейки оптимизированы для исследования легких фракций нефти с высоким газовым фактором. В дальнейшем ячейки обоих видов называются ДОТ-ячейками.
Вплоть до 80-х годов способом регулирования давления в этих ячейках было закачивание ртути в ячейки и откачивание из них. Считалось, что ртуть была инертной по отношению к нефтяным флюидам. Однако существовали некоторые риски для здоровья, связанные с обращением со ртутью при высоких давлении и температуре, и перекачивание ртути должно быть в большой степени заменено другими способами изменения давления в ДОТ-ячейках.
Некоторые из новых конструкций основаны на использовании цилиндрических ячеек с уплотненным поршнем, который можно приводить в движение, используя либо непосредственный механический привод либо гидравлический привод.
При встряхивании старых ДОТ-ячеек с ртутью также обеспечивалось бы хорошее перемешивание ртути, при этом быстро достигалось бы равновесие между фазами. Это равновесие имеет важное значение для достижения надежных и воспроизводимых результатов измерений. Эта возможность утрачивается при регулировании объема поршнем.
Предшествующий уровень техники
Как подробнее описывается позже, некоторые ДОТ-ячейки снабжены магнитно-связанной мешалкой для перемешивания испытываемых флюидов.
Среди других вопросов, рассмотренных в патенте Норвегии № 312921, описываются принцип действия свободной мешалки, приводимой в действие магнитным импульсом, размещение мешалки, частота вращения мешалки и ее задержка в ячейках высокого давления. Хотя в патенте № 312921 описывается оптический способ обнаружения изменений в вязкости, данное изобретение пригодно для использования с любым флюидом в тех случаях, когда не подходят оптические способы.
Магнитная связь между соленоидами и мешалкой является сравнительно слабой вследствие геометрических характеристик, а также из-за подвода магнитного поля через металлический поршень.
Некоторые нефтяные флюиды являются очень вязкими и, следовательно, мешалка не сможет вращаться с желаемой частотой вращения.
Некоторые ячейки не снабжены окошками и, следовательно, невозможно видеть флюид (глухие ячейки). Во многих случаях невозможно увидеть мешалку, даже если ячейка имеет окошко, потому что флюиды являются настолько темными.
Следовательно, для достижения гарантии надежной работы потребуется контрольное устройство для указания того, работает ли импеллер или нет.
В нескольких патентах, например, в патенте США 6834990, описывается мешалка с приводом от вала, имеющая различные выполнения, особенно мешалка с импеллером, предоставляющая особые возможности, например аэрирование пузырьками воздуха, подаваемого через вал, высокоэффективный (маломощный) сдвиг флюида и т.д.
Мешалки с приводом от вала, имеющие не магнитную связь, а непосредственный привод, связаны с проблемами уплотнения. Магнитная связь обеспечивает возможность использования закрытого контейнера с долговременной стабильностью давления.
В одном патенте - патенте США 6007227 - описывается система контроля при использовании мешалки. Система контроля обычно содержит датчик для обратной связи по контролируемой переменной. Однако в данном изобретении ускорение мешалки, ее частота вращения или угловое расположение не являются частью контроля.
Необходимо устройство, альтернативное вышеописанным устройствам, для проведения исследований давления, объема и температуры при простой и надежной гарантии перемешивания и, следовательно, смешивания флюидов или фазового равновесия при испытании в ячейках без средства для визуального наблюдения или для проведения таких исследований с флюидами с высокой степенью непрозрачности в ячейках со средством для визуального наблюдения. Кроме того, альтернативное средство контроля должно быть очень компактным и не имеющим подвижных частей.
Сущность изобретения
Следовательно, согласно настоящему изобретению предлагается новая магнитная перемешивающая система для обеспечения равновесия до измерения во время испытания в ДОТ-ячейке высокого давления. Точнее настоящее изобретение определяется формулировкой независимого пункта 1 в прилагаемой формуле изобретения.
Подходящие и предпочтительные варианты осуществления изобретения изложены в пунктах, зависимых от пункта 1 формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем будет дано более подробное описание иллюстративных вариантов осуществления настоящего изобретения с одновременной ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 - вид в разрезе поршня согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, и
фиг.2 - перспективный вид снизу поршня на фиг.1.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Одним техническим решением, обеспечивающим хорошее перемешивание, является размещение перемешивающего импеллера с магнитным приводом наверху поршня. Импеллер 10 с вставленными постоянными магнитами размещен на валу 11 в полости 2 со стороны корпуса поршня 1, обращенной к исследуемому флюиду.
Мешалка получает энергию от группы соленоидов 3, размещенных внутри поршня 1 в отдельных карманах 4 корпуса поршня, но отделенных от флюидов. На фиг.1 показан один из этих карманов 4, в то время как на фиг.2 видны три таких кармана.
Соленоиды расположены параллельно оси цилиндрического поршня, при этом один конец сердечника направлен к магнитам в импеллере 10, в то время как противоположные стороны магнитно соединены для увеличения напряженности поля и уменьшения полей рассеяния.
Поршень 1 должен быть изготовлен из немагнитного материала, предпочтительно сплава (например, «Хастеллой С», «Инконель», нержавеющей стали 316 и т.д.). Фазированные импульсы мощности подводятся к соленоидам 3 по тонким электрическим проводам 7 с тефлоновой изоляцией, которые протянуты через полый стержень 9. Полый стержень 9 установлен на крышке 14, закрывающей низ поршня 1. Провода 7 соединены с генератором 8 электрических импульсов, расположенным снаружи ячейки. Стержень 9 прикреплен в центре поршня 1 и пропущен сквозь корпус поршня через динамическое уплотнение, при этом на фиг.1 показан только очень короткий отрезок этого стержня.
Чтобы быть уверенным в работе мешалки, небольшой дополнительный соленоид 5 с отдельными проводами 12 помещен в свой собственный карман 6 в поршне, будучи изолированным от флюидов и расположенным таким образом, что постоянный магнит в импеллере 10 при вращении импеллера проходит вблизи наконечника (обозначен позицией 13) соленоида 5. Это вызывает настолько сильные электрические импульсы, что они могут быть легко отделены от индукции, вызванной посылающими импульсы соленоидами 3. Электронный индикатор импульсов 8 информирует оператора о состоянии мешалки (Для простоты как индикатор импульсов, так и генератор импульсов объединены в один общий блок 8).
В практическом варианте осуществления изобретения поршень ДОТ-ячейки состоит из двух частей. Одна часть - это основной корпус 1 с выемкой 2 для импеллера 10 и неподвижным валом 11 на стороне, обращенной к исследуемому флюиду, наружной частью уменьшенного диаметра для уплотнений и направляющих пары поршень - цилиндр, карманами 4, 6 для соленоидов 3, 5 и проводами 7, 12, проходящими с наружной стороны. Другая часть - это крышка 14 с прикрепленным к ней стержнем 9. Между крышкой 14 и основным корпусом, а также в крышке 14 имеются уплотнения для изоляции внутреннего пространства поршня как от гидравлической жидкости, так и от исследуемого флюида (На фиг.2 крышка удалена для показа карманов 4, 6).
Перемешивающий импеллер 10, который может свободно вращаться на валу 11 в выемке 2 поршня, предпочтительно имеет симметричную конструкцию и снабжен двумя или большим числом симметрично расположенных постоянных магнитов.
Перемешивание осуществляют последовательным возбуждением двух или большего числа соленоидов 3, тем самым толкая и притягивая постоянные магниты импеллера. Приводные соленоиды 3 выполнены в виде магнитомягкого сердечника с цилиндрически намотанными проводами. Количество обмоток, толщина провода и материал могут варьироваться в зависимости от желаемой магнитной силы и других особенностей. Приводные соленоиды 3 могут быть расположены по направлению оси внутри поршня 1 или радиально наружу цилиндра, имея сходство с обычным электродвигателем или шаговым двигателем.
В большинстве вариантов осуществления изобретения импеллер соосно закреплен на валу и может вращаться только вокруг оси вала. Вал может быть выполнен как съемный узел в виде либо единственного винта, введенного с верха поршня с образованием вала, либо в виде диска с выступающим валом. Кроме того, вал может быть неотъемлемой частью поршня. При вращении импеллера происходит смешивание и перемешивание исследуемых флюидов.
Контроль перемешивания осуществляют благодаря наличию соленоида 5 с отдельными проводами 12, расположенного в отдельном кармане 6 внутри поршня 1. Кроме того, провода 7, 12 могут быть соединены так, чтобы образовать общий источник опорного сигнала для приводных и контрольного соленоидов 3, 5.
Контрольный соленоид 5 подает импульсы, вызванные индукцией от прохождения постоянных магнитов во вращающемся импеллере 10.
Полость или карман 6 для контрольного соленоида 5 показана с пространством 13 для продолженного сердечника, в то время как карман 4 для приводного соленоида 3 показан без этого пространства.
Хотя были описаны и показаны вышеизложенные предпочтительные варианты осуществления изобретения, понятно, что все альтернативы и модификации, как, например, предложенные и другие, могут быть сделаны в дополнение к ним, не выходя за пределы изобретения.