УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СМЕСЕЙ

Полезная модель относится к устройствам для исследования свойств текучих сред и может найти применение в приборостроительной, химической, нефтяной и газовой промышленности, а также в других отраслях, где необходимо определение физико-химических свойств, связанных с фазовыми превращениями, например, газогидратных смесей.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является прибор для определения консистенции цементных растворов «консистометр цементного раствора КЦ-3», включающий автоклав, пресс гидравлический, редуктор, электрический двигатель, насос, клапан предохранительный, верхний и нижний штуцеры, верхний маслоотводный пластмассовый трубопровод, бачок, потенциометр, лопастное устройство, стакан, измерительную спиральную пружину, торцевой кулачок, плунжер, индукционную катушку дифференциально-трансформаторного датчика, дифференциально-трансформаторный самописец, металлическую рубашку системы охлаждения от бытового водопровода, теплоизоляционный кожух, электронагреватель, регулятор напряжения, амперметр, термопару, манифольды, манометр, редуктор, муфту сцепления, крышку-вкладыш, гидравлический подъемник, предназначенный для измерения во времени степени загустевания (консистенции) цементных растворов. Он имеет небольшие размеры и массу (длина - 1052 мм, ширина - 772 мм, высота - 1324 мм, масса - не более 400 кг), (см. Консистометр КЦ-3. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 31112.842.009ТО, 1984, ГОСТ 5.976-71).
Прибор, взятый за прототип, широко применяется в нефтегазовой промышленности в лабораториях тампонажных и буровых предприятий, а также научно-исследовательскими организациями для исследования, разработки и проверки рецептур тампонажных смесей, применяемых при цементировании скважин.
Однако описанный прибор не обладает функциональными возможностями в случае исследования рецептур газожидкостных смесей, в частности газогидратных, то есть для области пониженных температур.
Задача полезной модели - расширение функциональных возможностей.
Технический результат - возможность определения температуры, давления и консистенции газожидкостных смесей, в частности газогидратных, а также исследование состояния их фазовых превращений. Предлагаемая полезная модель представляет собой лабораторное устройство, например, для газовой промышленности, позволяющее исследовать механические и физико-химические процессы межфазных переходов газовых гидратов, в том числе при транспортировке газа и при разработке газогидратных залежей.
Задача решается тем, что устройство для исследования газожидкостных смесей, содержащее автоклав, лопастное устройство, гидравлический пресс, трубопровод, электродвигатель, системы измерения, электронагрева и охлаждения, снабжено компрессором, насосно-холодильным агрегатом и регулируемой проскальзывающей муфтой.
Устройство поясняется чертежом, изображенным на фиг. Принцип действия предлагаемого прибора основан на дистанционном измерении момента на лопастном устройстве 1, создаваемого исследуемым раствором 2 при загустевании в стакане 3, вращающемся с заданной скоростью. Лопастное устройство заторможено измерительной спиральной пружиной 4, угол закручивания которой с помощью торцевого кулачка 5 преобразуется в линейное перемещение плунжера 6 внутри индукционной катушки 7 дифференциально-трансформаторного датчика. Перемещение плунжера 6, пропорциональное моменту на лопастном устройстве, регистрируется дифференциально-трансформаторным самописцем 8. Стакан 3 с пробой исследуемого раствора размещен в автоклаве 9, в котором создаются необходимое давление и температура. Охлаждение пробы производится пропусканием хладагента, например, глицерина, из насосно-холодильного агрегата 10 через камеру охлаждения (водопроводную рубашку), образуемую ребристой винтовой поверхностью автоклава и приваренной к нему металлической рубашкой 11. Для уменьшения теплообмена служит теплоизоляционный кожух 12. Нагрев
исследуемой смеси в стакане производится через подогрев масла в автоклаве с помощью трубчатого электронагревателя 13, размещенного внутри автоклава. Регулирование скорости нагрева производится изменением мощности, подаваемой на нагреватель с помощью регулятора напряжения 14. Мощность контролируется измерением тока с помощью амперметра 15. Контроль, регистрация и автоматическое поддерживание заданной температуры производится термопарой 16, введенной в автоклав, и потенциометром 17. Заполнение автоклава и гидравлической системы маслом из бачка 18 производится с помощью ручного плунжерного насоса 19 через систему трубопроводов и манифольды 20 и 21. Давление в автоклаве создается и регулируется подачей сжатого метана из нагнетательной линии 32 компрессором (например, из баллона 22 через редуктор 23), и может контролироваться манометром 24. В системе установлен так же регулируемый пружинный предохранительный клапан 25. Для проверки предохранительного клапана давление в автоклаве создается и регулируется гидравлическим прессом 26, контролируется манометром 24. Стакан с пробой раствора приводится во вращение электродвигателем 27 через червячный редуктор 28. Изменение скорости вращения производится путем перестановки приводного ремня с одного ручья на другой на двухручейных шкивах редуктора и электродвигателя, а так же перестановкой шкивов. Установка и извлечение стакана с пробой вместе с крышкой-вкладышем 29 из автоклава производится гидравлическим подъемником 30 с помощью насоса 19.
Измерение консистенции газожидкостной смеси производится в соответствии с инструкцией, разработанной изготовителем, прилагаемой к установке и утвержденной Госгортехнадзором.
Измерение консистенции газогидратной смеси производится, например, следующим образом:
- в автоклав 9 вставляют стакан 3 с исследуемым раствором 2;
- через манифольды 20 и 21 из бачка 18 в автоклав 9 заполняют машинным маслом 31 несколько выше уровня термопары 16, с таким расчетом, чтобы масло при вращении стакана не переливалось в исследуемый раствор 2;
- посредством гидравлического подъемника 30 в автоклав опускают крышку-вкладыш 29, на которой смонтированы узлы 1, 4, 5, 6, 7, 33;
- через вентиль 33 в автоклав подают исследуемый газ, например, метан под определенным давлением, величина которого регулируется компрессором (например, редуктором 23 из баллона 22);
- посредством электродвигателя 27 и червячного редуктора 28 внутри автоклава начинают вращать стакан 3. При этом исследуемый раствор 2 перемешивается вращающимся лопастным устройством 1, а поступающий из нагнетательной линии газ частично растворяется в исследуемом растворе 2;
- включают регистрирующие устройства 8 и 17;
- посредством насосно-холодильной установки 10 прокачивают хладагент с установленной температурой, например, глицерин или рассол через систему охлаждения (водопроводную рубашку) и, таким образом, охлаждают содержимое автоклава и исследуемого раствора 2 до установленной температуры.
- диапазон и интенсивность снижения температуры определяется исследователем.
- по мере снижения температуры в область гидратообразования, в исследуемом растворе 2 начнут образовываться кристаллы газогидратов, что будет увеличивать его сопротивление механическому перемешиванию;
- механическое перемешивание исследуемого раствора 2 автоматически будет приводить к перераспределению по высоте кристаллов газовых гидратов в стакане 3;
- по мере увеличения концентрации газогидратов в исследуемом растворе 2 и увеличения его сопротивления на лопастное устройство 1, будет происходить увеличение угла закручивания измерительной спиральной пружины 4, что будет регистрироваться дифференциально-трансформаторным самописцем 8;
- снижение температуры производят до тех пор, пока исследуемый раствор не потеряет подвижность (предельное значение угла закручивания пружины);
- при достижении предельного значения угла закручивания пружины начнет проскальзывать муфта сцепления 34, что предупредит поломку осей прибора и позволит начать исследование обратного процесса.
2
Предлагаемое устройство является модификацией консистометра КЦ-3 и предназначено для лабораторного исследования газожидкостных смесей при условиях фазовых превращений флюидов талых и мерзлых пород - при давлении до 100 кгс/см (~ до 10 МПа) и температуре до плюс 20°С. А так как КЦ-3 предназначен для проведения исследований при давлении до 1000 кгс/см (~ 100 МПа) и температуре до плюс 200°С, что на порядок больше предельных значений условий гидратообразования, то есть предлагаемое устройство взрывобезопасно. Предлагаемое устройство может производиться кустарным способом, путем доукомплектации покупным оборудованием - компрессором до 18 МПа (например, газовым баллоном и газовым редуктором), нагнетательным трубопроводом на соответствующее давление и насосно-холодильным агрегатом (например, в виде емкости с насосом, установленными в холодильнике). В этом случае инструкция по эксплуатации разрабатывается самим предприятием на основе действующих нормативных документов и утверждается в местном органе Госгортехнадзора.
Опытный образец устройства прошел лабораторные испытания, результаты испытаний положительные.