Вискозиметр

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам измерений вязкости жидкостей и может быть использована для измерения вязкости нефти или водонефтяной эмульсии при ее давлении в трубопроводе, на устье скважин и в промысловой системе сбора нефти, газа и воды.
Необходимость измерения вязкости нефти связана с проектированием скважинной добычи или промысловых систем сбора нефти при ее повышенной вязкости.
Широкое распространение получили шариковые вискозиметры, измеряющие скорость движения шарика в исследуемой жидкости, являющейся функцией ее вязкости.
Известны шариковые вискозиметры, позволяющие измерять вязкость исследуемой жидкости при атмосферном давлении, например SU №1746254, RU №226520 и прочие.
Однако, известно, что наибольшая точность измерений вязкости жидкости в различных системах, в том числе нефти, обеспечивается, когда измерения осуществляют при температуре и под давлением в точке отбора исследуемой жидкости, например, нефти.
Известен вискозиметр высокого давления по Авторскому свидетельству № SU 1742675, принятый в качестве прототипа.
Известный вискозиметр высокого давления содержит калиброванную трубку из немагнитного материала, внутри которой расположен шарик из магнитного материала. Калиброванная трубка установлена в корпусе из немагнитной стали, который неразъемно соединен с термостатирующей рубашкой. На наружной поверхности термостатирующей рубашки размещен индуктивный датчик, соединенный с электронным блоком регистрации. В измерительный канал корпуса запрессовано седло из ферромагнитного материала, выходное отверстие которого запирается клапаном. Устройство содержит узел сброса шарика, образованный одной из катушек индуктивного датчика и седлом вентиля, выполненным из ферромагнитного материала.
Вискозиметр работает следующим образом. До начала заполнения калиброванной трубки исследуемой жидкостью корпус термостатируют до заданной температуры, далее трубку заполняют исследуемой жидкостью из внешнего пробоотборника, одновременно вытесняя из нее имеющийся воздух или газ под необходимым давлением и производят замеры времени движения шарика по калиброванной трубке с последующим переводом на значения вязкости.
Известный вискозиметр позволяет измерять вязкость жидкости, в частности нефти, при высоком давлении и разных температурах нефти. Однако, известный вискозиметр характеризуется сравнительной низкой точностью измерений, которая обусловлена следующими причинами. Полость внутри трубки имеет небольшой объем, который заполняется как исследуемой нефтью, так и сепарированным газом. При высоком значении газового фактора в исследуемой жидкости или нефти, газ может заполнить значительное пространство полости калиброванной трубки. При стравливании газа из полости трубки через вентиль с одновременным заполнением трубки исследуемой жидкостью будет происходить сепарация газа в полости трубки, что препятствует стравливанию всего газа. По этой причине измерение вязкости будет иметь значительную погрешность.
Кроме того, в известном устройстве невысокая достоверность замеряемой вязкости исследуемой жидкости, поскольку заданное давление создают прессом, температуру - термостатированием, при этом пробу исследуемой жидкости предварительно отбирают во внешний пробоотборник и затем переливают в трубку вискозиметра, что усложняет и затрудняет создания условий равнозначных в трубопроводе.
Дополнительно, процесс измерения вязкости в известном устройстве осложнен возможностью измерений при движении шарика только в одну сторону, поэтому для замера вязкости несколько раз потребуется времени два раза больше.
В основу настоящей полезной модели положена задача повысить точность измерений вязкости исследуемой жидкости, а также упростить и ускорить процесс измерений.
Поставленная задача решается тем, что в вискозиметре, включающем калибровонную трубку из немагнитного материала с размещенным внутри шариком из ферромагнитного материала, средство регистрации положения шарика в калиброванной трубке, согласно предлагаемому техническому решению, он снабжен сосудом из немагнитного материала, имеющим больший объем полости, чем калиброванная трубка, соединенным через запорное устройство с калиброванной трубкой, при этом сосуд снабжен входным запорным устройством, выполненным с возможностью его заполнения исследуемой жидкостью, и выходным запорным устройством, выполненным с возможностью слива исследуемой жидкости и выпуска газа из сосуда.
Наличие сосуда большего объема, чем калиброванная трубка, с входным и выходным запорными устройствами, позволяют заполнять калиброванную трубку исследуемой жидкостью через сосуд, из которого свободная газовая фаза выпускается через выходное запорное устройство под давлением исследуемой жидкости в процессе заполнения сосуда. В результате, практически исключается попадание пузырьков окклюдированного газа в калиброванную трубку, что позволяет существенно снизить погрешность измерений вязкости и повысить точность.
Кроме того, достоверность замеряемой вязкости исследуемой жидкости повышается, поскольку сосуд может быть заполнен исследуемой жидкостью из любого источника, в том числе в точке ее отбора, соответственно, давление и температура исследуемой жидкости в калиброванной трубке, в процессе измерений будут близки к ее исходным параметрам в точке отбора. При этом не требуется осуществлять термостатирование калиброванной трубки и создавать в ней повышенное давление дополнительными устройствами, что упрощает процесс измерений.
Целесообразно, чтобы сосуд и калиброванная трубка были снабжены средством теплоизоляции.
Теплоизоляция сосуда с калиброванной трубкой позволяет в процессе измерений поддерживать в калиброванной трубке температуру исследуемой жидкости, близкой к ее температуре в точке отбора, например в трубопроводе, с целью обеспечения высокой достоверности и точности измерений.
Возможно выполнения сосуда и калиброванной трубки без теплоизоляции в случае, когда температура исследуемой жидкости (в трубопроводе, выкидной линии) близка к температуре окружающей среды и замеры производят на месте в точке отбора (устье скважины или в месте подключения к трубопроводу).
Целесообразно, чтобы соединение сосуда с калиброванной трубкой и выходное запорное устройство сосуда были размещены в области противоположных оснований сосуда. Такое расположение входа в полость калиброванной трубки и выходного запорного устройства в большей степени защищает полость калиброванной трубки от попадания в нее газовой фазы вместе с исследуемой жидкостью, что обусловливает повышение точности измерений.
Целесообразно, чтобы вискозиметр содержал корпус, в котором размещены сосуд и калиброванная трубка, и держатель корпуса, выполненный с возможностью съемного крепления корпуса и поворота закрепленного корпуса на 180° вокруг поперечной оси калиброванной трубки и фиксации на заданных углах поворота.
Наличие корпуса и держателя позволяет ускорить процесс измерений путем неоднократного быстрого поворота калиброванной трубки на 180°, то есть выполнять замеры при противоположных движениях шарика. Съемное крепление корпуса на держателе облегчает заполнение сосуда и калиброванной трубки исследуемой жидкостью непосредственно в точке ее отбора, например, заполнение сосуда и калиброванной трубки нефтью непосредственно из трубопровода.
Целесообразно, чтобы входное запорное устройство было выполнено с возможностью соединения с трубопроводом с исследуемой жидкостью.
Такое выполнение облегчает заполнение сосуда исследуемой жидкостью, протекающей по трубопроводу.
В дальнейшем предлагаемая полезная модель будет более подробно раскрыта на конкретном примере ее выполнения со ссылками на фигуру, на которой изображена схема вискозиметра.
Вискозиметр содержит сосуд 1 из немагнитного материала, например из нержавеющей стали. В предпочтительном варианте сосуд 1 имеет форму цилиндра, но может иметь и иную форму. Сосуд 1 снабжен входным и выходным запорными устройствами 11 и 12, соответственно. В предпочтительном варианте, входное запорное устройство 11 выполнено с возможностью соединения сосуда 1 с точкой отбора исследуемой жидкости для его заполнения, например, с трубопроводом (не показан) или емкостью с исследуемой жидкостью. В частности, входное запорное устройство 11 может быть выполнено с возможностью резьбового соединения или быстроразъемного соединения со шлангом высокого давления, который в свою очередь, с помощью резьбового соединения, герметично соединяется с пробоотборным краном на трубопроводе (или на выкидной линии скважины). В качестве входного запорного устройства 11 может быть использованы известные устройства, например игольчатый вентиль, шаровой кран и пр.. Выходное запорное устройство 12 выполнено с возможностью слива исследуемой жидкости и выпуска газа из сосуда 1. Выходное запорное устройство 12 может быть выполнено в виде вентиля известной конструкции, например игольчатого вентиля или другого известного запорного устройства, позволяющего плавное стравливание сепарированного газа.
Сосуд 1 соединен с калиброванной трубкой 2, выполненной из немагнитного материала, например из нержавеющей стали. Сосуд 1 соединен с калиброванной трубкой 2 через запорное устройство 3, расположенное в трубке 2 вблизи ее соединения с сосудом 1. Запорное устройство 3 может быть также установлено в области соединения сосуда 1 с калиброванной трубкой 2. В качестве запорного устройства 3 может быть использован, например перекрывающий кран пробкового типа или иное аналогичное устройство. В калиброванной трубке 2 размещен ферромагнитный шарик 4, например, из закаленной стали 95X18. Калиброванная трубка 2 выполнена закрытой со свободного конца, стороны противоположной от сосуда 1, например, перекрыта заглушкой 21. Объем сосуда 1 больше объема калиброванной трубки 2. При этом, объем сосуда 1 выбирают с учетом температуры исследуемой жидкости и окружающей среды и/или теплоизоляции сосуда 1, исходя из времени необходимого для замера вязкости, чтобы за это время в сосуде 1 температура сохранялась близкой к входной начальной температуре исследуемой жидкости в трубопроводе.
В предпочтительном варианте, соединение сосуда 1 с калиброванной трубкой 2 и выходное запорное устройство 12 сосуда 1 размещены у противоположных основаниях 13 и 14 сосуда 1. В варианте выполнения, показанном на фигуре, сосуд 1 выполнен цилиндрической формы, соединение сосуда 1 с калиброванной трубкой 2 выполнено на основании 13 сосуда 1, при этом выходное запорное устройство 12 установлено на противоположном основании 14 или близко к нему, а входное запорное устройство 11 выполнено на боковой стенке 15 сосуда 1, вблизи основания 14 с выходным запорным устройством 12 или на этом основании.
В предпочтительном варианте, в сосуде 1 установлен манометр 5 и датчик 6 температуры для измерения давления и температуры внутри сосуда 1.
Вискозиметр содержит средство регистрации положения шарика 4 в калиброванной трубке 2, которое включает два постоянных магнита 5, закрепленных с одной стороны внешней поверхности калиброванной трубки 2 с интервалом друг от друга по ее длине и два датчика 6 магнитного поля, например датчики Холла, закрепленных на внешней поверхности калиброванной трубки 2 с противоположной стороны на тех же уровнях, что и постоянные магниты 5. Средство регистрации положения шарика включает соединенный с указанными датчиками 6 электронный блок 7 регистрации времени движения шарика 4 от одного до другого датчика 6.
В преимущественном варианте, показанном на фигуре, соединенные между собой сосуд 1 и калиброванная трубка 2, установлены в корпусе 8, внутри которого размещен теплоизолирующий наполнитель 9, покрывающий сосуд 1 и калиброванную трубку 2. При этом, вход и выход соответственно входного и выходного запорных устройств 11 и 12 выполнены с наружной стороны корпуса 8.
Возможно иное выполнение теплоизоляции сосуда с калиброванной трубкой, например, корпус может быть выполнен из термоизоляционного материала.
Сосуд 1 и калиброванную трубку 2 выполняют теплоизолированными в вискозиметрах, предназначенных для работы в условиях, когда температуры (+,-) исследуемой жидкости при значительно отличаются от температуры окружающей среды
Возможно выполнение вискозиметра без теплоизоляции сосуда и калиброванной трубки в случае, когда температура исследуемой жидкости (в трубопроводе, выкидной линии) близка к температуре окружающей среды и замеры производятся на месте в точке отбора (устье скважины или в месте подключения к трубопроводу). При отсутствии теплоизоляции вискозиметр может быть выполнен без дополнительного корпуса, при этом стенки калиброванной трубки и сосуда служат корпусом вискозиметрию.
В предпочтительном варианте, показанном на фигуре, вискозиметр содержит держатель 10, выполненный с возможностью съемного крепления на нем корпуса 1. Держатель 10 содержит гнездо 101, на которое опирается корпус 1 в нижней своей части, в области калиброванной трубки 2. В гнездо 101 введен электрический разъем 102. Гнездо 101 соединено с валом 103, проходящим через опору 104, закрепленную к стойке 105. К гнезду 101 закреплен поворотный диск 106 с отверстиями, выполненными с равными интервалами по окружности, в которые может входить подпружиненный палец фиксатора 107.
Опора 104 закреплена на станине 108 с регулировочными винтами 109 вертикального положения стойки 105.
Работа вискозиметра осуществляется следующим образом.
Тарируют калиброванную трубку 2 по времени прохождения шарика 4 между датчиками 6 магнитного поля на эталонных жидкостях известной вязкости, при разных углах наклона трубки 2. Поворот трубки 2 осуществляют поворотом гнезда 101 вокруг оси вала 103 с фиксацией подпружиненного пальца 107 в различных отверстиях поворотного диска 106.
Перед отбором пробы и началом измерений, стойку 105 устанавливают строго вертикально с помощью регулировочных винтов 109. Для отбора пробы исследуемой жидкости корпус 8 вместе с гнездом 101, поворотным диском 106 и валом 103 снимают с опоры 104 и переносят к месту отбора. Входное запорное устройство 11 соединяют с точкой отбора, например, к входному запорному устройству 11 подключают шланг высокого давления (не показан), который с помощью резьбового соединения герметично соединяют с пробоотборным краном на трубопроводе или иным образом соединяют. Запорное устройство 3 в калиброванной трубке 2 устанавливают в открытое положение для свободного доступа исследуемой жидкости в калиброванную трубку 2.
На начальном этапе заполнения сосуда 1 исследуемой жидкостью входное запорное устройство 11 открывают, а выходное запорное устройство 12 остается закрытым. В процессе заполнения сосуда 1 исследуемой жидкостью частично открывают выходное запорное устройство 12. По мере заполнения сосуда 1 исследуемая жидкость вытекает через открытое выходное запорное устройство 12 во внешнюю специальную емкость (не показана), где ее собирают. Объем собранной жидкости должен быть равен 2-3 объема сосуда 1 для термостатирования и вытеснения газов (воздуха) из внутренних полостей сосуда 1 и калиброванной трубки 2. После протекания через сосуд 1 двух-трех его объемов, выходное запорное устройство 12 закрывают, чтобы давление в сосуде 1 выровнялось до давления в трубопроводе. Давление при заполнении сосуда контролируют манометром 5. После выравнивания давления, поддерживая корпус 8 в вертикальном положении, при котором калиброванная трубка 2 обращена вниз, приоткрывают выходное запорное устройство 12, плавно стравливая газ через это запорное устройство 12. Когда газ стравится (пойдет жидкость) закрывают выходное запорное устройство 12 и затем закрывают входное запорное устройство 11.
При этом, в калиброванную трубку 2 практически не попадают пузырьки окклюдированного газа, что позволяет существенно снизить погрешность измерений вязкости и повысить точность.
Корпус 8 с заполненными водонефтяной смесью сосудом 1 и калиброванной трубкой 2 переносят к месту измерений и закрепляют в опоре 104 таким образом, чтобы основание 13 сосуда 1 с калиброванной трубкой 2 были обращены вниз. Перед креплением на опоре 104 корпус 8 неоднократно встряхивают для предупреждения расслоения водонефтяной смеси, после чего вал 103 вводят в отверстие опоры 104. Закрепленный корпус 8 несколько раз поворачивается вокруг оси вала 103 для равномерного заполнения калиброванной трубки 2 водонефтяной смесью и устанавливают корпус 8 в вертикальном положении с калиброванной трубкой 2, обращенной вниз. Перекрывают запорное устройство 3 для герметизации калиброванной трубки 2 от перетоков жидкости в сосуд 1. Быстро поворачивают на 180° корпус 8, и шарик 4 начинает катиться вниз по калиброванной трубке 2, проходя через магниты 5 и датчики 6 магнитного поля. В момент прохождения шарика 4 через магниты 5, датчики 6 магнитного поля регистрирует изменение (импульс) магнитного поля и передают импульсы на электронный блок 7. Электронный блок 7 позволяет с помощью таймера определить время между двумя импульсами, т.е. время прохождения шарика 4 между датчиками и по тарировочным таблицам определить вязкость исследуемой жидкости.
Далее, поворачивают корпус 8 на 180° и снова фиксируют время прохождения шарика 4 между датчиками 5 и определяют вязкость жидкости. Таким образом, за короткое время производят многократные измерения для получения устойчивого усредненного значения вязкости.
При малом времени движения шарика 4 в трубке 2 от одного датчика к другому, т.е. при незначительной вязкости исследуемой жидкости и низкой точности измерений, корпус 8 поворачивают вокруг оси вала 103 и устанавливают под углом наклона калиброванной трубки 2 к вертикали с помощью пальца фиксатора 107, Угол наклона калиброванной трубки 2 определяют испытаниями на эталонных жидкостях различной вязкости. После фиксации корпуса 8 на заданном угле производят аналогичные операции измерения и т.д. По калибровочным таблицам каждое зафиксированное время качения шарика 4 переводится в значение вязкости отобранной жидкости.
При этом, каждое измерение сопровождается регистрацией температуры и давления жидкости датчиком 6 температуры и манометром 5.
Наличие теплоизолирующего материала 9 позволяет сохранить в сосуде 1 и калиброванной трубке 2 температуру исследуемой жидкости близкой к ее исходной температуре в точке отбора.
Выпуск свободной газовой фазы из сосуда 1 при отборе пробы под давлением исследуемой жидкости позволяет освободить исследуемую жидкость от газовой фазы и исключить попадание пузырьков окклюдированного газа в калиброванную трубку 2, тем самым обеспечить высокую точность измерений вязкости. Благодарю тому, что температура и давление исследуемой жидкости, например нефти, в калиброванной трубке 2 близка к ее сходным параметрам в точке отбора, обеспечивается высокая достоверность и точность измерений вязкости.
Возможность съемного крепления корпуса 8 на держателе облегчает заполнение сосуда 1 и калиброванной трубки 2 исследуемой жидкостью непосредственно в точке ее отбора, например, заполнение сосуда 1 и калиброванной трубки 2 нефтью непосредственно из трубопровода.
Простота поворотом сосуда 1 с калиброванной трубкой 2 вокруг оси на 180° обеспечивает возможность проведения измерений вязкости за достаточно короткий промежуток времени в обоих направлениях движения шарика в калиброванной трубке, что существенно сокращает и упрощает процесс измерений.