Установка для определения газосодержания в пробе
INSTALLATION FOR DETERMINING GAS CONTENT IN SAMPLE

Область техники
Изобретение относится к средствам измерительной техники и может быть использовано для измерения содержания газа в пробе в лабораторных условиях.
Уровень техники
Известен газометр, раскрытый в АС СССР на изобретение №121591 (дата приоритета: 29.08.1958, дата публикации: 01.01.1959, МПК G01N 7/14). Известный газометр выполнен в виде двух цилиндров с поршнями, при прямом и обратном ходе которых в течение трех циклов происходит распыление жидкости, при котором определяется процентное содержание газа в жидкости.
Известен автоматический газометр (раскрыт в источнике https://amcore.ru/issledovanie-plastovyh-flyuidov-pvt/sistema-temperaturnogo-kontrolya.html). Известный газометр снабжен автоматической системой поддержания давления, системой перемешивания газа и системой подогрева для исключения осаждения жидких компонентов газа на стенках газометра. По мере проведения экспериментов сепарации и дифференциального разгазирования в ячейке PVT, флюид переводится в охлаждаемую ловушку и после разгазирования газ подается в газометр для определения его объема.
Известен автоматический газометр, предназначенный для точного измерения объема газа при стандартных условиях (раскрыт в источнике: https://www.vinci-technologies.com/products-explo.aspx?IDR=82291&idr2=82558&idp=82288&IDM=601171). Известный газометр состоит из калиброванной камеры из нержавеющей стали, поршня с приводом от двигателя, блока управления, ручных впускных и выпускных клапанов для управления потоком газа. При этом давление, объем и температура жидкости постоянно отслеживаются и отображаются на интерактивной сенсорной панели блока управления. В измерительной камере приток газа может быть установлен либо при постоянном давлении, либо при постоянной скорости потока.
Известен газометр с ручным управлением, предназначенный для точного измерения объема газа при температуре окружающей среды и атмосферном давлении (раскрыт в источнике: http://www.vinci-technologies.ru/node/346). Известный газометр содержит калиброванный цилиндр, в котором скользит газонепроницаемый поршень, создающий камеру с переменным объемом, и заставляет плавающий поршень перемещаться вверх, ручной механизм, посредством которого производится перемещение поршня для точного определения объема газа при заданном давлении, впускные и выпускные клапаны, при этом объем, температура и давление газа непрерывно отслеживаются и отображаются на цифровых средствах индикации.
Известен газометр атмосферный Leutert MG, предназначенный для точного определения объёма высвободившегося газа из пластового флюида (раскрыт в источнике: https://profpribor.ru/shop/neftyanoe-oborudovanie/oborudovanie-dlya-issledovaniya-plastovyx-flyuidov/gazometr-atmosfernyj-leutert-mg). Известный газометр включает в себя калиброванный стеклянный цилиндр с плавающим поршнем, аппарат разгазирования, в котором за счет медленного снижения давления растворенный газ высвобождается из образца, подается снизу цилиндра, за счет чего поршень начинает подниматься, при этом датчик положения поршня с помощью микроконтроллера считывает объем газа; панель прибора, на которой отображается объем, давление и температура газа. Температура газа определяется во время перехода в газометр и отображается на передней панели прибора.
Известен автоматический прибор для определения объема газа «ПИК-ГАЗОМЕТР», предназначенный для определения объема выделяющегося газа в атмосферных условиях (раскрыт в источнике: http://geologika.ru/product/avtomaticheskij-pribor-dlya-opredeleniya-obema-gaza-pik-gazometr/). Известный газометр представляет собой мерный цилиндр, в который поступает газ и который снабжен подвижным поршнем с электроприводом. Давление в цилиндре автоматически поддерживается равным 0,1 МПа; при его превышении поршень автоматически передвигается, увеличивая занимаемый газом объем. Передвижение поршня отслеживается линейным датчиком, показания которого преобразуются в значение объема поступившего газа. Газометр снабжен системой термостабилизации, системой перемешивания и позволяет осуществлять автоматизированное управление и сбор данных.
Общим недостатком известных аналогов является недостаточная контролируемость процесса измерений. Это обусловлено тем, что для газовой и жидкой фазы не обеспечивают равновесный состав внутри циркуляционного контура, либо обеспечивают равновесный состав в отсутствие контроля условий по температуре или давлению, что снижает воспроизводимость результатов измерений для пробы вследствие изменения упомянутых условий в лабораторном помещении. При этом отсутствие равновесия газа и жидкости может приводить к снижению точности определения газосодержания, поскольку газовая компонента остается частично растворенной в жидкости, находящейся в сепараторе.
Раскрытие сущности изобретения
Техническая задача, положенная в основу настоящего изобретения, заключается в точном определении газосодержания в пробе в лабораторных условиях.
Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в улучшении контролируемости процесса определения газосодержания.
Изобретение раскрывает установку для определения газосодержания в пробе. Установка состоит из вертикально ориентированной измерительной камеры, соединенной с газовым сепаратором с образованием между ними замкнутого циркуляционного контура, к которому подключен датчик давления. Измерительная камера снабжена поршнем, который способен изменять положение в вертикальном направлении внутри камеры под управлением контрольного блока, выполненного с возможностью сопоставления контрольного значения для давления и показаний датчика давления. В отличие от прототипа, циркуляционный контур снабжен связанным с блоком управления циркуляционным насосом, способным нагнетать поток газа, выделенного из пробы и перемещенного в измерительную камеру, обратно в направлении газового сепаратора, причем упомянутый сепаратор выполнен термостатированным, а к измерительной камере подведен электрический источник нагрева.
Дополнительные преимущества и существенные признаки настоящего изобретения могут быть представлены в следующих частных вариантах осуществления.
В частности, циркуляционный контур снабжен впускным и выпускным клапанами.
В частности, циркуляционный контур снабжен пикнометром.
В частности, циркуляционный контур снабжен ротаметром.
В частности, датчик давления представлен цифровым манометром.
В частности, датчик давления установлен вблизи входа в измерительную камеру.
Контролируемость процесса определения газосодержания в пробе достигается за счет достижения равновесия газа и жидкости благодаря неоднократной циркуляции газа в циркуляционном контуре, и точной фиксации условий по давлению и температуре при проведении измерений.
Получение равновесного состава газа и жидкости обеспечивается в сепараторе при разгазировании пробы. Газ, выделенный из пробы, многократно перемещают внутри циркуляционного контура между измерительной камерой и сепаратором. Циркуляция газа, проводимая таким образом, позволяет получить равновесные составы жидкости и газа.
Фиксация условий по температуре при проведении измерений обеспечивается посредством термостатирования сепаратора и подогрева измерительной камеры. Термостатирование сепаратора необходимо для того, чтобы обеспечить контролируемое значение температуры, при которой происходит разделение пробы на газовую и жидкую компоненты. Подогрев измерительной камеры необходим для предотвращения выпадения конденсата на стенках камеры, вызванного разницей температур в камере и в лабораторном помещении. При этом контролируемое давление, при котором достигается равновесие и определяется газосодержание, задается на блоке управления, подключенному к датчику давления в циркуляционном контуре. Контроль температуры и давления позволяют обеспечить воспроизводимость результатов измерения для равновесных составов газа и жидкости. Помимо этого, обеспечивается исключение влияния температуры в помещении на результаты измерений.
На основе значения газосодержания, а также составов жидкости и газа после замера газосодержания создаются математические модели пластового флюида (пробы). Значение газосодержания, а также состояние равновесия состава жидкости и газа, полученные при контролируемых условиях по температуре и давлению, повышают точность математических моделей. При этом результаты измерений для различных порций проб, полученные при одинаковых условиях корректнее сравнивать между собой.
Условия по давлению и температуре могут быть установлены произвольными, в зависимости от нужд экспериментатора.
Краткое описание чертежей
ФИГ.1 иллюстрирует установку для измерения объема газа в пробе;
ФИГ.2 иллюстрирует измерительную камеру;
ФИГ.3 иллюстрирует гидравлическую схему установки.
Осуществление изобретения
В соответствии с ФИГ.1, установка для измерения объема газа в пробе состоит из колесной рамы 1, внутри которой установлена вертикально ориентированная измерительная камера 2, снабженная поршнем 3 (показан на ФИГ.2). Положение поршня 3 в вертикальном направлении внутри камеры изменяется посредством шарико-винтовой передачи (ШВП). Винт ШВП 4 служит для поршня стержнем. Гайка ШВП 5 соединена ременной передачей 7 с серводвигателем 8. Положение поршня 3 относительно его крайнего нижнего положения определяется посредством встроенного в серводвигатель 8 энкодера. Рама 1 снабжена интерактивной панелью с сенсорным экраном, подключенной к блоку управления. Панель позволяет выводить показания цифровых датчиков, получаемых в ходе проведения измерений.
Измерительная камера 2 выполнена цилиндрической формы с постоянным диаметром поперечного сечения, изготовлена из нержавеющей стали. Камера 2 размещена внутри рамы 1 между направляющими штангами 9. Штанги 9 вместе с плитой 10 образуют П-образную конструкцию, удерживающую поршень 3 от осевого вращения при передаче вращающего усилия через ременную передачу 7 от серводвигателя 8 к поршню 3. Камера 2 прикреплена к плите 10, а нижняя часть закреплена транспортировочным кронштейном 11, предусмотренным в нижней части рамы 1. К камере 2 подведен электрический источник тепла, нагревающий ее до заданной температуры. Датчик давления 12 может быть установлен в нижней части рамы 1, вблизи входа в камеру 2.
Включение измерительной камеры 2 в циркуляционный контур обеспечено следующим образом. На нижнем фланце камеры 2 предусмотрен предназначенный для запуска газа внутрь камеры 2 фитинг 13. С фитингом 13 соединяют гидравлическую трубку предыдущего участка контура. В теле поршня выполнен фитинг 14, с которым соединяют трубку, которая внутри камеры 2 проходит по спирали вокруг стержня 4. С другой оконечной стороны эту трубку соединяют с фитингом 15, который выполнен в верхней части камеры 2. Далее фитинг 15 соединяют с гидравлической трубкой следующего участка контура. При перемещении поршня 3 вверх пространство между витками спирали уплотняется. При достижении поршнем 3 внутри камеры 2 крайнего верхнего положения уплотненная трубка собирается внутрь полости, выполненной в теле поршня 3.
В соответствии с ФИГ.3, циркуляционный контур установки выполнен герметичным, замкнутым. Контур состоит из гидравлических труб, последовательно соединяющих вентиль 16, сепаратор 17 для разделения пробы на жидкую и газовую фазы, вентиль 18, ротаметр 19, датчик давления 12, представленный цифровым манометром, измерительную камеру 2, циркуляционный насос 20 и вентиль 21. Вентили 21 и 16 замыкают общий участок контура, на котором установлен впускной клапан 22, предназначенный для подвода пробы. На участке контура между измерительной камерой и циркуляционным насосом установлен выпускной клапан 23, предназначенный для подключения к контуру вакуумного насоса и отвода пробы газа. Вентили 16, 18, 21 и клапаны 22, 23 способны переключаться между открытым и закрытым состоянием. Сепаратор 17 представляет собой цилиндрическую емкость. Отверстие для ввода пробы внутрь сепаратора выполнено в нижней части емкости, а выход для выпуска пробы в направлении измерительной камеры 2 выполнен ближе к верхней части емкости. Для сепаратора 17 обеспечивают поддержание постоянной температуры в емкости посредством жидкостного или твердотельного термостата. Возможны варианты осуществления изобретения, в которых ротаметр 19 и/или пикнометр отсутствуют.
Установку используют следующим образом.
Перед началом измерений в гидравлическом контуре и измерительной камере 2 обеспечивают вакуум посредством вакуумного насоса, включаемого в контур посредством клапана 23. На блоке управления задают значение для давления в контуре, которое контролируется в ходе проведения измерений автоматически. Затем переводят впускной клапан 22 в открытое положение, и проба, представляющая собой пластовый флюид под давлением (нефть или газ), поступает внутрь контура и через вентиль 16 направляется в сепаратор 17. В сепараторе 17 флюид разделяется на жидкую и газовую фазы. Внизу сепаратора 17 скапливается жидкость, а выделяющийся газ отводится в камеру 2 через вентиль 18, ротаметр 19. После окончания запуска пробы вентиль 22 закрывают. Чтобы обеспечить циркуляцию газа по контуру, включают циркуляционный насос 20 и открывают вентиль 21. Газ перемещается по контуру против часовой стрелки, в сепараторе 17 газ барботирует через жидкость до тех пор, пока жидкая и газовая фазы не достигнут состояния равновесия.
Установка способна работать в двух режимах: в равновесном режиме и в режиме дросселирования. В равновесном режиме перед тем как получить данные измерения поток газа сначала неоднократно циркулирует по контуру, проходя через сепаратор 17. В этом случае в сепараторе происходит массообмен между выделенным газом и жидкостью, и обеспечивается состояние равновесия газа и жидкости. Контроль достижения равновесия газа и жидкости обеспечивается посредством получения результатов измерения объема газа на контрольном блоке. В случае отсутствия колебаний по объему газа после нескольких циклов измерений предполагается, что состояние равновесия газа и жидкости достигнуто. В режиме дросселирования исключают процедуру циркуляции газа.
Давление газа измеряется цифровым манометром 12, размещенным на входе в измерительную камеру 2. Манометр 12 передает измеренное значение давления на контрольный блок. Если измеренное манометром 12 давление превышает контролируемое, то контрольный блок передает сигнал серводвигателю 8 на перемещение поршня 3 вверх. Серводвигатель 8 приводит в движение поршень 3 и поднимает его относительно крайнего нижнего положения до тех пор, пока давление внутри камеры 2 не установится равным контролируемому. Положение поршня 3 фиксируется энкодером серводвигателя 8. В случае если измеренное манометром 12 давление меньше контролируемого, то контрольный блок направляет серводвигателю сигнал на перемещения поршня 3 вниз. Объем полости, обеспеченной изменением положения поршня 3, равен объему выделенного из пробы газа. Объем выделенного газа рассчитывается как произведение высоты, на которую перемещен поршень 3 относительно его крайнего нижнего положения, и площади поперечного сечения измерительной камеры 2.