УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОСЕДАНИЯ ЧАСТИЦ В ТЕКУЧЕЙ СРЕДЕ
DEVICE FOR PARTICLE SEDIMENTATION PARAMETER MEASUREMENT IN FLUID MEDIUM

Изобретение относится к измерению параметров текучей среды, в частности к средствам измерения параметров оседания частиц в жидкостях разрыва или буровых растворах.
Измерение оседания частиц является обычной процедурой, используемой для определения характеристик жидкостей разрыва или буровых растворов. Существует несколько способов измерения оседания по разнице в плотностях. В том или ином виде они основаны на взятии образца жидкости из верхней и нижней части сосуда после отстаивания этой жидкости в течение заданного промежутка времени и сравнении плотностей взятых образцов.
Так, для измерения параметров оседания частиц в буровых растворах используется наклонная трубка, входящая в состав замкнутого гидравлического контура. Примеры таких устройств приведены в публикациях SPE62051 «Barite Sag: Measurement, Modeling, and Management» P.A. Bern; Eric van Oort, and Beatrice Neustadt; Hege Ebeltoft, Christian Zurdo and Mario Zamora and K.S. Slater и SPE87136 “Barite-Sag Management: Challenges, Strategies, Opportunities” Paul D. Scott, Mario Zamora, Catalin Aldea.
Из заявки US 20110167901 известно устройство для измерения осаждения частиц, содержащее вертикально расположенный цилиндрический сосуд для анализируемой жидкости, имеющий расположенные на одной высоте входное и выходное отверстия. К этим отверстиям подсоединена гидравлическая система, включающая в себя насос и средство измерения плотности, образуя замкнутый контур.
Основным недостатком указанных выше инструментальных средств, помимо относительной сложности и стоимости оборудования, является практическая невозможность их использования для измерения параметров оседания частиц, размер которых превышает 200 мкм, вследствие засорения одного или нескольких компонентов, образующих замкнутый гидравлический контур.
Наиболее близким к настоящему изобретению является широко применяемый в данной области цилиндр стабильности ЦС-2, описанный, например, в Руководящем документе «Методика контроля параметров буровых растворов», РД 39-2-645-81, с.41-42 (http://www.complexdoc.ru/ntdtext/480924).
O
Цилиндр стабильности ЦС-2 предназначен для определения показателя стабильности S, г/см - величины, определяемой разностью плотностей нижней и верхней частей отстоявшегося в течение определенного времени бурового раствора и косвенно характеризующей способность раствора сохранять свою плотность.
Цилиндр стабильности ЦС-2 представляет собой емкость в виде полого цилиндра с дном. В средней по высоте части цилиндрической емкости выполнен отвод, закрытый резиновой пробкой. Емкость, заполненную перемешанной пробой анализируемого бурового раствора, устанавливают в спокойном месте, отмечают по часам время и оставляют в покое на сутки. Через 24 часа открывают пробку и сливают верхнюю часть пробы раствора. Затем тщательно перемешивают слитый раствор и определяют его плотность. После этого закрывают отвод пробкой; тщательно перемешивают остающуюся в емкости нижнюю половину раствора и определяют ее плотность.
Известное устройство имеет простую конструкцию и позволяет определять показатель стабильности растворов, содержащих достаточно крупные частицы.
Однако на практике иногда встречаются жидкости, содержащие волокнистые материалы большого размера (длиной до 2 см). Взятие проб таких жидкостей общепринятыми методами (шприцом, трубочкой, насосом) приводит, как правило, к засорению трубочки и отфильтровыванию волокнистого материала и частиц от базовой жидкости. В конечном итоге сепарация приводит к ошибкам измерения. Описанный выше цилиндр стабильности ЦС-2 обладает этим же недостатком, так как отверстие в отводе, диаметр которого меньше 2 см, будет засоряться. Увеличение диаметра этого отверстия, что могло бы уменьшить вероятность его засорения, приведет к погрешности измерений из-за перемешивания слоев отстоявшейся суспензии вследствие значительного расхода вытекающей из такого отверстия жидкости.
Задачей изобретения является разработка простого и надежного устройства, позволяющего получать достоверные результаты измерений параметров текучих сред вне зависимости от размеров и вида твердых частиц, содержащихся в этих текучих средах.
Указанная задача решена в устройстве для измерения параметров оседания частиц в текучей среде, содержащем емкость в виде полого цилиндра с дном, при этом согласно изобретению емкость выполнена составной из двух соосно расположенных цилиндрических частей, первая из которых имеет дно, а вторая герметично соединена с первой частью посредством разъемного соединения, при этом вторая часть емкости в зоне ее торца, обращенного в сторону первой части, содержит подвижную перегородку, выполненную с возможностью герметичного разделения внутренних объемов первой и второй частей емкости в одном положении и объединения этих объемов в другом положении.
Использование подвижной перегородки позволяет надежно отделить жидкость, находящуюся в верхней части емкости, от жидкости, находящейся в нижней части емкости, не внося каких-либо возмущений в характер распределения по высоте содержащихся в этой жидкости твердых частиц вне зависимости от размеров и вида этих частиц.
Предпочтительно устройство содержит ирисовый клапан, диафрагма которого образует указанную подвижную перегородку.
Герметичное соединение частей емкости может быть образовано цилиндрической проточкой на внутренней поверхности первой части емкости, соответствующей цилиндрической проточке на наружной поверхности второй части емкости и по меньшей мере одним уплотнительным кольцом из эластичного материала, расположенным между обращенными навстречу друг другу цилиндрическими поверхностями указанных проточек.
Предпочтительно по меньшей мере одно уплотнительное кольцо расположено в кольцевой канавке, выполненной в цилиндрической поверхности проточки на первой части емкости или в цилиндрической поверхности проточки на второй части емкости.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 схематично показано устройство для измерения параметров оседания частиц в текучей среде согласно изобретению, заполненное исследуемой жидкостью, вид сбоку в разрезе;
на фиг.2 - то же, после отстаивания жидкости в течение заданного промежутка времени;
на фиг.3 - то же, после отделения верхней части устройства от нижней.
Как показано на фиг.1-3, устройство для измерения параметров оседания частиц в текучей среде содержит емкость в виде полого цилиндра, состоящего из двух соосно расположенных цилиндрических частей: первой, нижней части 1, и второй, верхней части 2. Первая часть 1 имеет дно 3. Обе части 1 и 2 соединены между собой по скользящей посадке с возможностью разъединения. Для этого на внутренней поверхности одной из частей емкости выполнена цилиндрическая проточка, а на наружной поверхности другой части емкости выполнена соответствующая цилиндрическая проточка. В соответствии с показанным на фигурах вариантом осуществления изобретения проточки 4 и 5 (фиг.3) выполнены на внутренней поверхности первой, нижней части 1 и на наружной поверхности второй, верхней части 2 соответственно. Однако возможно и обратное расположение проточек на частях 1 и 2. Между обращенными навстречу друг другу поверхностями указанных проточек 4 и 5 расположено уплотнительное кольцо 6, обеспечивая герметичность соединения частей 1 и 2 в собранном состоянии емкости. Уплотнительное кольцо 6 может быть установлено в кольцевую канавку, выполненную в цилиндрической поверхности проточки 4 или 5. На фигурах показано уплотнительное кольцо 6, установленное в канавку, выполненную в цилиндрической поверхности проточки 4. Для более надежной герметизации соединения частей 1 и 2 может использоваться несколько уплотнительных колец, например два (на фигурах не показано).
Вторая, верхняя часть 2 емкости в зоне ее торца, обращенного в сторону первой части 1, содержит подвижную перегородку 8, обеспечивающую возможностью герметичного разделения внутренних объемов первой и второй частей емкости в одном положении и объединения этих объемов в другом положении. Подвижная перегородка 8 в варианте осуществления изобретения, показанном на чертежах, выполнена в виде диафрагмы ирисового клапана, конструкция которого хорошо известна специалистам в области гидравлики и пневматики, в связи с чем подробное описание такого клапана опущено.
Как вариант, подвижная перегородка может быть выполнена и в виде, например, шиберной заслонки (на чертежах не показана).
Измерение параметров оседания частиц в текучей среде с помощью устройства согласно изобретению осуществляется следующим образом.
Исследуемая текучая среда, например буровой раствор, тщательно перемешивается, и определяется его плотность, например с помощью рычажных весов. Соединенные между собой части 1 и 2, образующие цилиндрическую емкость, заполняются этим перемешанным буровым раствором 9 (фиг.1). При этом перегородка 8 (диафрагма ирисового клапана) находится в открытом положении, так что части 1 и 2 образуют единый внутренний объем, по существу заполненный исследуемым буровым раствором. Затем наполненная емкость выдерживается заданный промежуток времени, например, 24 часа, в результате чего происходит расслоение раствора, так что более плотная часть жидкость располагается снизу, как показано на фиг.2. На фиг.2 условно показана резкая граница между более плотной порцией 9' раствора и менее плотной порцией 9” раствора, хотя в действительности по высоте емкости существует градиент плотности. Затем перегородка 8 переводится в закрытое положение, отделяя менее плотную порцию 9” раствора, расположенную в верхней части 2 емкости, от более плотной порции 9' раствора, расположенной в нижней части 3 емкости. После этого вторая, верхняя часть 2 емкости, снимается с первой, нижней части 3 (фиг.3), и часть, находящаяся в верхней части порции 9”, используется для определения ее плотности. Плотность раствора в нижней части 1 емкости может быть рассчитана по формуле:
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>V</mi><mo>⋅</mo><mi>ρ</mi><mo>−</mo><msub><mi>V</mi><mn>3</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><mi>V</mi><mo>−</mo><msub><mi>V</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
2
3
где ρ, ρ, ρ - плотности исходного перемешанного раствора, нижней порции 9' раствора и верхней порции 9” раствора соответственно;
3
V и V - общий объем раствора и объем верхней порции 9” раствора, соответственно.
При необходимости плотность может быть пересчитана в концентрацию частиц.