Устройство для определения давления насыщения по нефти и определения давления начала кипения конденсата

Полезная модель относится к области нефтегазодобывающей промышленности, а именно к портативным средствам для проведения экспериментов по определению визуальным методом характеристики давления насыщения (Рнас) для пластовой нефти и давления начала кипения (Рнач.кип.) для насыщенных конденсатов.
Известна бомба равновесия для изучения фазового поведения углеводородов, содержащая охваченный термостатирующей оболочкой вертикальный цилиндрический корпус, поршни со штоками, размещенные в рабочей и измерительной камерах, которые соединены между собой сквозным каналом, смотровые окна и источник света [RU 111294 U1, МПК G01N 7/00 (2006.01), опубл. 10.12.2011]. Измерительная камера расположена перпендикулярно оси корпуса и дополнительно содержит цилиндрическую вставку, выполненную из прозрачного материала (например, оргстекла) и снабженную в торцевой части градуированным пазом с установленным в нем игольчатым клапаном. Наличие цилиндрической вставки обеспечивает возможность наблюдения за всем (полным) пространством измерительной камеры и позволяет зафиксировать начальный момент потемнения исследуемой жидкости. Рабочий поршень выполнен конусообразным, что позволяет минимизировать мертвый объем. Для создания давления в запоршневом пространстве измерительной камеры предусмотрена подача поджимной жидкости. Использование известного устройства позволяет повысить надежность работы бомбы равновесия за счет обеспечения возможности точной загрузки требуемого объема конденсата и фиксации начального момента выпадения жидкой фазы, а также позволяет замерить даже малое количество выпадающей жидкой фазы без использования подслаивающей жидкости.
Известно устройство для измерения термодинамических характеристик флюида, которое содержит PVT-ячейку, куда загружают исследуемый флюид [US 7628058 В2, МПК G01N 25/00 (2006.01), опубл. 08.12.2009]. PVT-ячейка представляет собой стальную цилиндрическую камеру, которая находится в термоизолированном корпусе и снабжена средством для обеспечения наклона ячейки вверх. С одной стороны PVT-ячейки расположен поршень со встроенной механической мешалкой, а с другой стороны - небольшой прямоугольный в сечении отсек, предназначенный для накопления и замера жидкой фазы или газа, снабженный смотровыми стеклами. Устройство снабжено средствами измерения давления и температуры, а также средствами для визуализации положения жидкости /газа. Посредством движения поршня производится изменение рабочего объема PVT-ячейки.
3
Известно устройство для определения давления насыщения проб углеводородных флюидов при пластовых термобарических условиях ВРР 70 фирмы Vinci Technologies [www.epac-service.ru/katalogi/obrudovanie-dlya-pvt-issledovaniiy-plastovyh-flyuidov/termodinamicheskie-svoistva-plastovyh-flyuidov/bpp-70-apparat-dlya-opredeleniya-davleniya-nasyshenia.pdf]. Одна из основных задач аппаратов данного типа - освобождение PVT-установки для выполнения экспериментов с пластовыми флюидами. Камера для пробы представляет собой сосуд высокого давления из нержавеющей стали, оборудованный плавающим поршнем для разделения гидравлической рабочей жидкости и флюида из сепаратора. Со стороны пробы камера включает перемешивающее кольцо с низким мертвым объемом для надлежащего перемешивания. В процессе непрерывной работы механизма качения перемешивающее кольцо постоянно перемещается от одного конца к другому. Электрический нагреватель обеспечивает однородное регулирование температуры внутри камеры. Давление на флюид обеспечивается посредством внешней системы создания давления. Известное устройство наиболее близко подходит для определения Рнас и Рнач.кип экспресс методом и имеет следующие характеристики: давление до 1000 бар; Т до 200°С; объем камеры 100 см.
3
3
Однако известные устройства предназначены для проведения исследований больших объемов проб. Параметр Рнас и Рнач.кип является одним из многих определяемых при исследовании скважинной продукции (нефти, конденсата), объем которых при отборе равен 100-400 см. При использовании известных устройств данного назначения требуемый объем пробы равен 50-100 см. Малый объем используемой скважинной продукции позволяет оставить часть пробы для дальнейших исследований. Соответственно одной из важных решаемых проблем является разработка устройства с малым объемом рабочей камеры ячейки высокого давления для определения экспресс-методом давления насыщения для нефти Рнас и давления начала кипения для конденсата Рнач.кип., характеристики которой: простота конструкции, малый объем используемой пробы, эффективное перемешивание, возможность быстрого изменения температуры и давления, видеофиксация, удовлетворяют заданным требованиям для обеспечения эффективной работы.
При создании полезной модели решается техническая проблема, состоящая в расширении арсенала технических средств, предназначенных, при проведении термодинамических исследований скважинной продукции, для определения давления насыщения для нефти и определения давления начала кипения конденсата экспресс-методом.
Технический результат, состоящий в реализации указанного назначения, достигается тем, что устройство для определения давления насыщения по нефти и определения давления начала кипения конденсата характеризуется тем, что содержит охваченный терморубашкой цилиндрический корпус с рабочей камерой ячейки высокого давления для исследуемой пробы и перемешивающего средства, в качестве которого использован металлический шарик. Корпус оборудован смотровыми стеклами, вводным и выводным капиллярами высокого давления с игольчатыми кранами. Корпус устройства имеет углубление, в которое установлено средство для измерения температуры. Преобразователь давления установлен на выводной линии после игольчатого крана. Материалом для смотровых стекол может быть оргстекло или сапфир.
Конструктивное беспоршневое выполнение устройства позволило создать 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.). Давление в рабочей камере ячейки высокого давления обеспечивается посредством подключения поршневого насоса высокого давления к вводной и выводной линиям, каждая из которых оборудована капиллярами высокого давления и игольчатыми кранами. Использование в качестве перемешивающего средства металлического шарика 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 смотровых стекол по торцам цилиндрического корпуса обеспечивает организацию визуального наблюдения. Жидкостное термостатирование и малый объем рабочей камеры ячейки высокого давления позволяют эффективно создавать необходимые температуры для эксперимента. Обеспечение максимальной рабочей температуры ячейки высокого давления дает возможность высвободить PVT установку и провести эксперимент по определению Рнас и Рнач.кип экспресс-методом. Наличие углубления в цилиндрическом корпусе обеспечивать возможность установки средства измерения температуры в непосредственной близости к рабочей камере ячейки высокого давления, что дает возможность контролировать температуру пробы, а не термостатирующей жидкости. Расположение преобразователя давления после игольчатого крана на выводной линии обеспечивает достоверные результаты Рнас и Рнач.кип.
Таким образом, заявляемое устройство имеет простую, надежную конструкцию, обеспечивая при этом требуемые условия при определении экспресс-методом Рнас и Рнач.кип: эффективное перемешивание, быстрое время термостатирования, высокий диапазон возможных давлений до 25 МПа, что позволяет выполнить поставленные технические задачи при проведении исследований.
На фиг. 1 схематично изображено устройство для определения давления насыщения по нефти и определения давления начала кипения конденсата., на фиг. 2 показана 3D-модель устройства в разрезе.
3
3
Устройство содержит вертикальный цилиндрический корпус 1, выполненный, например, из нержавеющей стали, с рабочей камерой 5 ячейки высокого давления для нахождения исследуемой пробы скважинной продукции (нефти или конденсата). Объем рабочей камеры 5 ячейки высокого давления составляет от 3 см до 5 см. Внутри рабочей камеры 5 ячейки высокого давления расположен металлический шарик 12, например, стальной, выполняющий функцию перемешивающего средства всего объема исследуемой пробы. Для подачи и откачки исследуемой пробы в рабочую камеру 5 ячейки высокого давления в устройстве предусмотрены вводная и выводная линии, оборудованные соответственно вводным 11 и выводным 22 капиллярами высокого давления и игольчатыми кранами 10, 19. В качестве капилляров высокого давления используют, например, капилляры диаметром 3 мм, рассчитанные на давления до 100 МПа. В качестве игольчатых кранов возможно использование кранов фирмы Swagelock, D-Pro, Bu Tech с рабочими давлениями от 25 МПа. Устройство снабжено средством для измерения температуры 6 и преобразователем давления 18.
С каждого торца цилиндрического корпуса 1 выполнены полости для установки смотровых стекол 3, которые зафиксированы фланцами 9, крепящимися к корпусу 1, например, винтами 2. Для обеспечения герметичности корпуса 1 между фланцами 9 и смотровыми стеклами 3 проложен уплотнитель 7. Смотровые стекла 3 могут быть выполнены из оргстекла или из сапфирового стекла, например, толщиной 10 мм и диаметром 19 мм. Максимальная рабочая температура ячейки высокого давления ограничивается материалом смотровых окон 3. При использовании оргстекла максимальная рабочая температура равна 150°С. При использовании сапфирового стекла максимальная рабочая температура ограничивается материалом уплотнений 7, в качестве которых возможно использование уплотнений из бензомаслостойкой резины. При установке уплотнений 7 из резины Viton максимальная рабочая температура равна 232°С.
Для термостатирования корпус 1 охвачен терморубашкой 4. Из терморубашки 4 выведены две трубки 16 для подключения жидкостного термостата 17. Термостатирование осуществляется циркуляцией. В качестве термостатирующей жидкости для диапазона температур от минус 30 до плюс 90°С, используют тосол, для диапазона температур от минус 30 до плюс 100°С используют жидкость полиметилсилоксановую ПМС-10 ГОСТ 13032, для диапазона температур от минус 15 до плюс 125°С - ПМС-20 ГОСТ 13032.
Корпус 1 имеет углубление 20, предназначенное для установки средства для измерения температуры 6, что позволяет контролировать температуру исследуемой пробы. Толщина стенки корпуса 1 в месте углубления 20 должна обеспечивать допустимое расчетное рабочее давление 106,91 МПа. Например, при толщине стенки корпуса 1, равной 11,5 мм, длина углубления равна 9,5 мм, диаметр углубления равен 3 мм. В качестве средства для измерения температуры 6 возможно использование датчиков температуры, например, таких как GTH 175/Pt, ТМ-902С, Benerech GM1312.
С одного торца цилиндрического корпуса 1 к смотровому стеклу 3 установлена видеокамера 15, которая может быть закреплена к фланцу 9, например, крепежным хомутом 21. В качестве видеокамеры возможно использование видеокамеры Spereyes B010-S, которая имеет возможность трехсоткратного приближения и не требует специального программного обеспечения для подключения к компьютеру. С противоположного торца цилиндрического корпуса 1 к смотровому стеклу 3 установлен источник света 8, обеспечивающий прохождение света через исследуемую пробу.
Для подачи и откачки исследуемой пробы в рабочую камеру 5 ячейки высокого давления используют поршневой насос высокого давления 14, подключенный к устройству через вводную и выводную линии. В качестве поршневого насоса высокого давления возможно использование насоса, например, марки DP 100 фирмы Vinci либо П-70-К фирмы Метран, обеспечивающего рабочее давление до 70 МПа. Давление в рабочей камере 5 ячейки высокого давления контролируют преобразователем давления 18, который установлен на выводной линии после игольчатого крана 19. В качестве преобразователя давления 18 возможно, например, использование измерительного преобразователя (датчика) давления Aplisens РС-28 с погрешностью 0,01 МПа.
Для изготовления устройства используют стандартные средства и технологии.
Устройство работает следующим образом.
Равновесное давление, при котором при постоянных термобарических условиях из исследуемой пробы начинается выделяться газ, называют давлением насыщения Рнас. по нефти и давлением начала кипения Рнач.кип. конденсата. Визуальный метод основан на визуальном наблюдении появления газовой фазы при изотермическом снижении давления в рабочей камере ячейки высокого давления. За давление насыщения Рнас. принимается давление системы, при котором глаз оператора, вооруженный оптической системой, способен уловить первые признаки свободного газа.
Перед загрузкой исследуемой пробы (нефти или конденсата) рабочую камеру 5 ячейки высокого давления предварительно подготавливают путем промывки легкими фракциями и вакуумируют. В контейнере 13 с помощью поршневого насоса высокого давления 14 создают давление, в два раза превышающее давление сепарации, для того чтобы проба в контейнере 13 гарантированно находилась в однофазном жидком состоянии. После этого контейнер 13 подключают к вводному капилляру высокого давления 11 через игольчатый кран 10, который позволят без резких перепадов заполнить рабочую камеру 5 ячейки высокого давления исследуемой пробой таким образом, чтобы давление в контейнере 13 резко не изменялось. После заполнения рабочей камеры 5 ячейки высокого давления исследуемой пробой открывают игольчатый кран 19 выводного капилляра высокого давления 22 для протравки исследуемой пробы и протравки газа, выделившегося в рабочей камере 5 ячейке высокого давления при ее заполнении, чтобы исследуемая проба в рабочей камере 5 ячейке высокого давления находилась в однофазном жидком состоянии. Затем посредством жидкостного термостата 17 создают требуемую для измерения температуру с поддержанием давления в рабочей камере 5 ячейке высокого давления посредством поршневого насоса высокого давления 14. После этого закрывают вводной игольчатый кран 10 и выводной игольчатый кран 19. Подключают поршневой насос высокого давления 14 на выводной игольчатый кран 19. Протравливают выводную линию от поршневого насоса высокого давления 14 до игольчатого крана 19, используемую для подачи поддавочной жидкости, и создают давление, равное давлению в рабочей камере 5 ячейки высокого давления. После чего открывают выводной игольчатый кран 19 и посредством поршневого насоса высокого давления 14 начинают ступенчато снижать давление, при этом интенсивно перемешивая исследуемую пробу путем кантования устройства (вследствие малого объема вручную). При выходе на определенную ступень кантование прекращают и наблюдают с помощью видеокамеры 15 за появлением первого пузырька свободного газа, который свидетельствует о достижении Рнас или Рнач.кип. В среднем на один замер с полной подготовкой и созданием необходимых параметров (температуры и давления) уходит 30 минут.
нач.кип
сепарации
сепарации
яч
В таблице представлены результаты исследований при проведении экспресс-методом экспериментов по определению Р. - конденсатов Уренгойского, Южно-Тамбейского, Яро-Яхинского месторождений. Замеры проводились при условиях сепарации (отбора) проб давления (Р) и температуры (Т), которая контролировалась показаниями температуры в рабочей камере ячейки высокого давления Т.
Заявляемое устройство имеет простую конструкцию, объем рабочей камеры малого размера, доступные запасные части. Конструктивное выполнение устройства обеспечивает эффективное перемешивание, быстрое время термостатирования, повышение давлений без ограничений по времени, высокий диапазон возможных давлений до 25 МПа и высокий диапазон рабочих температур, обеспечивающие приемлемые показатели для определения характеристики давления насыщения (Рнас) визуальным методом для пластовой нефти и определения давления начала кипения (Рнач.кип.) для конденсатов, при этом расширяется ассортимент портативных средств для проведения экспериментов при исследовании проб.