БОМБА РАВНОВЕСИЯ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ФАЗОВОГО ПОВЕДЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ

Полезная модель относится к нефтегазовой геологии и может быть использована для определения физических свойств и зависимостей PVT (давление - объем - температура) газоконденсатов и нефтей.
Известно устройство для измерения давления, объема и температуры пластовых флюидов, включающее модуль pvt, состоящий из камеры pvt с механическим приводом поршня и расположенным в верхней части смотровым окном с установленным в нем смотровым стеклом и вторую камеру pvt, состоящую из корпуса, поршня с гидравлическим приводом, при этом нижняя часть второй камеры pvt с гидравлическим приводом поршня снабжена средством для контроля уровня конденсата, выполненным в виде двух вставок с прорезями, для установки смотрового стекла, образующими смотровое окно при соединении вставок между собой (Патент РФ на ПМ №66546, МПК G01N 29/00, приоритет от 27.04.2007, опубл. 10.09.2007).
Недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет промерять объем выпавшей в ней жидкой фазы с точностью, необходимой для изучения фазовых равновесий.
Известна также бомба равновесия для изучения фазового поведения углеводородов, состоящая из термостатируемого цилиндрического сосуда высокого давления с торцевыми и боковыми отверстиями со штуцерами, смотровыми окнами, источником света, внутри которого размещены верхний и нижний отражатели, жестко связанные между собой, которая снабжена разделительным поршнем, который с фиксированным зазором прикреплен к нижнему отражателю, выполненному в виде цилиндра, одно основание которого содержит две зеркальные плоские грани, симметрично наклоненные к оси цилиндра под углом 45º, другое снабжено радиальной щелью, а также трубкой - байпасом, сообщающим через запорный вентиль надпоршневое и подпоршневое пространство между собой, отражатели размещены с зазором относительно внутренней стенки сосуда и связаны между собой посредством прямоугольной перегородки с отверстием на уровне верхнего отражателя, выполненного в виде цилиндра, основание которого со стороны перегородки содержит внутренний вырез, образующий две симметрично наклоненные зеркальные поверхности под углом в 45º к оси цилиндра. Кроме того, радиальная щель нижнего отражателя перпендикулярна перегородке, зафиксированной с помощью двух канавок на внутренней поверхности сосуда перпендикулярно оси окон. (Патент РФ №2235313, 7 МПК G01N 25/22, приоритет 27.11.2002, опубл. 27.08.2004 в бюл. №24)
Известно также устройство для исследования PVT - соотношений газожидкостных смесей, включающее полый вертикальный цилиндрический корпус, охваченный термостатирующей оболочкой, размещенный в корпусе блок визуализации с выполненными соосно с корпусом воронкообразными торцами и соединяющим их сквозным каналом, размещенные снизу вверх над блоком визуализации, перемешивающее приспособление и поршень со штоком, подводящий и отводящий патрубки, датчики давления и температуры, устройство снабжено размещенными под блоком визуализации сверху вниз дополнительным перемешивающим приспособлением и поршнем со штоком, оба поршня выполнены в виде конуса, сопряженного с цилиндром со стороны соединительного канала, а перемешивающие приспособления выполнены в виде конусообразных металлических колец, сужающихся от поршней к блоку визуализации, и размещены соосно с корпусом с возможностью возвратно-поступательного движения, термостатическая оболочка выполнена в виде последовательности изолированных электромагнитных обмоток, подсоединена к перемешивающему приспособлению и охватывает корпус сверху и снизу от блока визуализации. Кроме того, датчики температуры и давления размещены в соединительном канале, подводящий и отводящий патрубки подсоединены к соединительному каналу, а штоки поршней выполнены из материала с малым коэффициентом расширения (Патент СССР №1808127, 5 МПК G01N 33/26, приоритет от 16.01.1991, опубл. 07.04.1993 в бюл. №13).
Основным недостатком известных устройств является использование подслаивающей жидкости для определения нижней границы раздела выпавшей (жидкой) фазы. Вследствие растворения в подслаивающей жидкости компонентов исследуемой пробы происходит искажение результатов исследований, что снижает надежность работы известных устройств.
Наиболее близкой по назначению и совокупности существенных признаков и принятой за прототип является бомба равновесия для изучения фазового поведения углеводородов, содержащая охваченный термостатирующей оболочкой вертикальный цилиндрический корпус, в рабочей камере которого установлен поршень с пустотелым штоком, выведенным через крышку. Внутри штока размещена специальная безъемкостная мешалка с составным стержнем, на конце которого установлен перфорированный диск, перемешивающий пробу при движении вверх и вниз. На штоке установлен электромагнит, осуществляющий вместе с мешалкой возвратно-поступательные движения с помощью специального привода. В нижней части бомбы расположено смотровое окно, герметически закрытое прочными линзами, и источник света. Ниже смотрового окна расположена измерительная камера с поршнем и штоком. Рабочая и измерительная камеры расположены соосно и соединены между собой сквозным каналом, а штоки поршней снабжены измерительными шкалами. (ВНИИГАЗ. Инстркуция по исследованию газоконденсатных месторождений на газоконднесатность., Москва, «Недра», 1975, с.21-28).
Недостатком известной бомбы равновесия является необходимость использования подслаивающей жидкости, на границе контакта с которой происходит растворение компонентов исследуемой пробы, что вносит искажения в результаты исследований, вследствие чего снижается надежность работы бомбы.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение надежности работы бомбы равновесия для изучения фазового поведения углеводородов.
Поставленная задача в заявляемой бомбе равновесия для изучения фазового поведения углеводородов, включающей 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, решается тем, что измерительная камера расположена перпендикулярно оси цилиндрического корпуса и дополнительно содержит цилиндрическую вставку, выполненную из прозрачного материала и снабженную в торцевой части градуированным пазом с установленным в нем игольчатым клапаном, расположенными соосно со сквозным каналом, рабочий поршень при этом выполнен конусообразным.
Отличием предлагаемого технического решения является то, что измерительная камера расположена перпендикулярно оси корпуса и дополнительно содержит цилиндрическую вставку, выполненную из прозрачного материала и снабженную в торцевой части градуированным пазом с установленным в нем игольчатым клапаном, расположенными соосно со сквозным каналом, рабочий поршень при этом выполнен конусообразным.
Авторами установлено, что в начальный момент загрузки жидкости в газовую фазу происходит испарение (растворение) жидкости, что затрудняет возможность точной загрузки требуемого объема жидкости.
Наличие цилиндрической вставки, выполненной из прозрачного материала (например, оргстекла) и снабженную в торцевой части градуированным пазом обеспечивает возможность наблюдения за всем (полным) пространством измерительной камеры и позволяет зафиксировать начальный момент потемнения исследуемой жидкости, что способствует повышению точности проводимых исследований и, тем самым повышает надежность работы бомбы.
Наличие игольчатого клапана, установленного в градуированном пазе, расположенных соосно со сквозным каналом, обеспечивает разобщение рабочей и измерительной камер, в результате чего появляется возможность раздельной загрузки газовой и жидкой фаз с последующим их смешением, и при загрузке жидкости позволяет избежать преждевременного ее растворения в газовой фазе. Это обеспечивает возможность точной загрузки требуемого объема жидкости и повышает надежность работы бомбы.
Наличие градуированного паза обеспечивает возможность измерения даже малого количества выпадающей жидкости без использования подслаивающей жидкости, что обеспечивает точность проводимых исследований и повышает надежность работы бомбы.
Выполнение поршня, установленного в рабочей камере, конусообразным позволяет минимизировать мертвый объем, что также повышает точность проводимых исследований и надежность работы бомбы.
Таким образом, достигаемый технический результат от использования отличительных признаков в предлагаемой бомбе равновесия для изучения фазового поведения углеводородов заключается в обеспечении точности проводимых исследований, что повышает надежность работы бомбы.
Из доступных источников патентной и другой научно-технической информации сведений о технических решениях, содержащих признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемой полезной модели и дающие аналогичный технический результат, не выявлено.
На фиг.1 представлена схема бомбы равновесия, на фиг.2 показана схема загрузки исследуемой пробы, на фиг.3 показан градуированный паз.
Предлагаемая бомба равновесия состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1, в рабочей камере 2 которого расположен конусообразный поршень 3 со штоком 4. Измерительная камера 5 расположена перпендикулярно рабочей камере 2 и соединена с ней сквозным каналом 6. В измерительной камере 5 расположен поршень 7 со штоком 8 и дополнительно установлена цилиндрическая вставка 9, выполненная из прозрачного материала, например, оргстекла, которая в торцевой части снабжена вертикальным градуированным пазом 10. Градуированный паз 10 прямоугольного сечения снабжен миллиметровыми делениями, в котором с зазором установлен игольчатый клапан 11, с помощью которого перекрывается канал 6, расположенный соосно с ним. Измерительная камера 5 со стороны вставки 9 снабжена смотровыми окнами 12, 13 и источником света 14. Смотровое окно 12 герметически закрыто прочными линзами.
Нижняя часть 15 рабочей камеры 2, сопрягаемая с поршнем 3, выполнена конусообразной, что значительно уменьшает «мертвый объем». Диаметры поршней 3 и 7 и сечения штоков 4 и 8 рассчитаны таким образом, что при их перемещении осевые нагрузки уравновешены и давление исследуемой пробы не изменяется. Запоршневые пространства рабочей 2 и измерительной 5 камер соединены между собой байпасной линией 16, которая снабжена регулировочными клапанами 17 и 18. Для загрузки исследуемой пробы в бомбу предусмотрены линии подачи и отвода с регулировочными клапанами 19 и 20.
Для поддержания определенной температуры предусмотрена термостатирующая оболочка 21. Перемещение поршней 3 и 7 фиксируется с помощью измерительных устройств 22 и 23, что позволяет измерить изменение объема камеры. Для создания давления в запоршневом пространстве измерительной 5 камеры предусмотрена подача поджимной жидкости (ДЭГ) через клапан 24. Движение измерительного поршня 7 производится с помощью пары «винт-гайка» 25. Вращение бомбы осуществляется от электропривода (на схеме не показано) или вручную на полуосях 26.
Устройство работает следующим образом.
В качестве исследуемых углеводородов могут использоваться газ, нефть, конденсат.
Перед загрузкой газа поршни 3 и 7 приводят в исходное положение. При этом поршень 3 находится в крайнем нижнем положении, а измерительный поршень 7 прижат к цилиндрической вставке 9. В рабочую камеру 2 через клапан 19 нагнетают требуемое количество газа сепарации из баллона (на схеме не показан). При этом игольчатый клапан 11 открыт, а клапан 20 закрыт. В процессе загрузки газа поршни 3 и 7 перемещаются в противоположенное от первоначального положение. Камеры 2 и 5 максимально заполняют газом сепарации, после чего сквозной канал 6 перекрывают клапаном 11. Затем открывают клапан 20, отводят газ из измерительной камеры 5 и измеряют его объем при атмосферном давлении. По известному соотношению объемов измерительной 5 и рабочей 2 камер вычисляют приведенный к стандартным условиям объем газа, загруженный в рабочую камеру 2. По объему загруженного газа рассчитывают объем исследуемой жидкости (нефти или конденсата), подлежащий загрузке в бомбу. Для загрузки исследуемой жидкости в бомбу равновесия закрывают клапан 17, поршень 7 измерительной камеры 5 приводят в исходное положение (вплотную к цилиндрической вставке 9), открывают клапан 19 и заполняют пространство в градуированном пазу 10 вытесняющей жидкостью (ДЭГ), после чего клапан 19 перекрывают. Далее открывают клапан 20 и подают расчетное количество исследуемой жидкости (конденсат), которая выдавливает вытесняющую жидкость (ДЭГ) из градуированного паза 10 через приоткрытый клапан 19, поддерживая при этом постоянное давление. Процесс замещения контролируют через смотровое окно 12. После полного замещения вытесняющей жидкости (ДЭГ) на загружаемую исследуемую жидкость (конденсат) клапан 19 закрывают и догружают необходимый объем исследуемой жидкости, отводя при этом ДЭГ из запоршневого пространства измерительной 5 камеры через приоткрытый клапан 24, поддерживая давление постоянным. После этого клапаны 20 и 24 закрывают, а клапан 17 открывают, сообщая между собой запоршневые пространства рабочей 2 и измерительной 5 камер. Затем открывают игольчатый клапан 11 и поршнем 7 из измерительной 5 камеры вытесняют исследуемую жидкость (конденсат) в рабочую 2 камеру. Далее бомбу переворачивают измерительной 5 камерой вверх, нагревают до пластовой температуры с помощью термостатирующей оболочки 21 и в запоршневые пространства рабочей 2 и измерительной 5 камер подают поджимную жидкость (ДЭГ), поднимая ступенями давление до пластового. При этом система газ - жидкость (конденсат) приводится в однофазное состояние. После растворения исследуемой жидкости (конденсата) в газе производят опыт стандартной сепарации известным способом, определяя при этом количество пластового газа в бомбе и его состав.
Для проведения опыта контактной конденсации (без выпуска пробы) ступенями снижают давление в бомбе, отводя ДЭГ из запоршневого пространства рабочей 2 камеры через клапаны 17 и 18. При этом производят замер выпавшей жидкой фазы на каждой ступени снижения давления.
Для проведения опыта дифференциальной конденсации бомбу переворачивают измерительной камерой 5 вверх и производят отбор газовой фазы через клапан 19. Объем вышедшего газа промеряют газометром (на схеме не показан), после отбора газа клапан 19 закрывают, бомбу переворачивают в исходное положение и оставляют на отекание жидкой фазы. Затем измеряют объем выпавшей жидкой фазы. Далее игольчатым клапаном 11 перекрывают канал 6 и через клапан 19 жидкую фазу переводят в ловушку (на схеме не показано) для анализа. Оставшуюся пробу выпускают, а в бомбу загружают новую порцию газа и исследуемой жидкости для анализа пробы следующей ступени давления.
В зависимости от количества выпавшей жидкой фазы возможны несколько вариантов замера ее объема.
Первый вариант. Когда объема паза 10 достаточно для размещения в нем количества выпавшей жидкой фазы. При этом измерительный поршень 7 плотно прижат к градуированному пазу 10 цилиндрической вставки 9 и игольчатый клапан 11 находится в верхнем положении, уровень жидкой фазы при этом находится ниже конической части клапана 11, т.е. выпавшая жидкая фаза занимает небольшой объем, который рассчитывают следующим образом:
к
n
шт
V=(S-S)·h
n
2
где: S - площадь сечения паза (см);
шт
2
S - площадь сечения клапана (см);
h - уровень жидкости (см).
Второй вариант. Когда количество жидкой фазы больше объема градуированного паза 10 и не помещается в нем. В этом случае уровень жидкой фазы может выставляться по средней отметке градуированного паза 10 и объем жидкой фазы равен  объема цилиндра, образованного пространством между цилиндрической вставкой 9 и измерительным поршнем 7, плюс  объема паза 10 за вычетом объема, занимаемого игольчатым клапаном 11, находящегося в жидкой фазе.
Использование заявляемой полезной модели 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.