БОМБА РАВНОВЕСИЯ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ФАЗОВОГО ПОВЕДЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ Российский патент 2004 года по МПК G01N25/22 G01N25/02 

Изобретение относится к устройствам для изучения фазового поведения углеводородов и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности для исследовательских целей при установлении основных параметров глубинных и рекомбинированных проб пластовых нефтей и газоконденсатных систем, приведенных к термобарическим условиям их залегания.

Известна бомба равновесия для изучения фазового состояния газоконденсатной системы PVT-7, состоящая из цилиндра с двумя поршнями. Каждый поршень имеет шток с измерительным устройством, позволяющим фиксировать положение поршня в бомбе с точностью до 0,1 мм. В середине нижней части бомбы имеются смотровые стекла, позволяющие измерять по уровню жидкости ее объем при помощи установки бомбы под углом 45° и снятия отсчета по нижнему штоку, для чего была произведена специальная калибровка. В верхней части имеется вентиль для ввода и вывода газа, в нижней - вентиль для ввода и вывода жидкости. Перед началом опыта поршни сводили впритык и пространство между ними вакуумировали, затем производили заполнение бомбы газом и конденсатом. После составления пробы в бомбе создавали заданные термобарические условия и ее интенсивно раскачивали. По установлению равновесия в течение 2-2,5 ч определяли объем жидкой фазы путем подведения уровня жидкости к середине смотрового окна, имеющего риску. Затем поднимали нижний поршень до середины смотрового окна и выпускали жидкую фазу под постоянным давлением. После выпуска жидкой фазы выпускали газовую фазу [Изучение газоконденсатных месторождений. /Под ред. А.С. Великовского и др. Сб. ВНИИгаз, вып.17/25. - М.: Гостоптехиздат, 1962, с.108-113].

Однако конструкция известной бомбы равновесия не позволяет промерять объем выпавшей в ней жидкой фазы с точностью, необходимой для изучения фазовых равновесий.

Известна бомба равновесия для исследования пластовых нефтей, состоящая из цилиндра с двумя поршнями, у одного из которого шток выполнен пустотелым. Внутри штока расположен стержень, на внутреннем конце которого насажен перфорированный цилиндр, приводимый в движение электромагнитом, посредством которого осуществляется перемешивание пробы. На каждой ступени давления пробу тщательно перемешивают и выдерживают до полной стабилизации давления. При достижении давления насыщения образуется более упругая газовая фаза и приращение объема на единицу давления заметно возрастает. На построенном графике зависимости приращения объема от давления точка излома кривой соответствует давлению насыщения нефти газом [Хазнаферов А.И. Исследование пластовых нефтей. /Под ред. В.Н. Мамуны. - М.: Недра, 1987, с.61-64].

Недостатком известной бомбы является невозможность изучать открытые в последние годы “летучие” нефти с высоким газосодержанием из-за отсутствия на их PV-изотерме характерного излома, соответствующего давлению насыщения.

Наиболее близкой к заявляемому объекту по технической сущности является бомба равновесия для изучения фазовых равновесий углеводородных систем при низких температурах [Изучение газоконденсатных месторождений. /Под ред. А.С. Великовского и др. Сб. ВНИИгаз, вып.17/25. - М.: Гостоптехиздат, 1962, с.265-269]. Бомба состоит из корпуса, закрытого сверху цилиндром. В верхней утолщенной части бомбы имеется сквозное смотровое окно, закрытое визирными трубками с прочными тройными линзами. Внутри корпуса имеется устройство для измерения количества жидкости в бомбе, которое состоит из передвижной линейки с нанесенными на ней делениями и отражателей, установленных перед линзами. На нижнем конце линейки закреплены два зеркала под углом 45° к горизонту. Верхний конец линейки закреплен в цилиндрическом железном сердечнике, размещенном внутри цилиндра, на который надет электромагнит, втягивающий в себя сердечник. В дне корпуса бомбы имеется отверстие со штуцером, через которое поступает в бомбу предварительно охлажденная парожидкостная смесь. В верхней части цилиндра бомбы имеется отверстие со штуцером для выхода паровой фазы из бомбы, а в боковой части - для отбора пробы жидкости.

Бомба равновесия заполняется компонентами изучаемой системы. Необходимое давление устанавливается при помощи измерительного пресса. Затем исследуемую смесь перемешивают при помощи циркуляционного насоса до установления равновесия. Осветитель, расположенный перед одним из смотровых окон, дает пучок света, который, проходя внутрь бомбы, отражается от первого отражателя вниз и попадает на одно из зеркал линейки, затем на другое зеркало и далее вверх на второй отражатель, где и может быть зафиксирован визуально через второе смотровое окно. Для замера выпавшей углеводородной жидкости выключают циркуляционный насос, перемешивающий паровую фазу, включают электромагнит и передвигают его вместе со втянутым железным сердечником до тех пор, пока нижние зеркала, закрепленные на линейке, не коснутся уровня жидкости, что можно заметить в смотровое окно. В результате получают данные по изменению соотношений объемов сосуществующих фаз при различных термодинамических условиях.

Недостатками известной бомбы равновесия являются низкая точность измерения объема выпавшей жидкой фазы, особенно при низком потенциальном содержании жидких углеводородов в газоконденсатной системе и небольших объемах жидкой фазы, выпадающей при снижении давления, а также невозможность визуального определения давления насыщения проб пластовой нефти, поскольку отсутствует возможность прямого прохождения светового пучка от одного окна к другому. Двойное расстояние между верхними отражателями и нижними зеркалами, закрепленными на измерительной линейке, приводит к полному погашению светового потока темной нефтью.

Задачей заявляемого изобретения является обеспечение многофункциональности бомбы для изучения фазового поведения пластовых углеводородных систем и повышение точности измерения микрообъемов жидкой фазы, выпадающей из них при снижении давления.

Поставленная задача решается тем, что бомба 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, 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 в 45°, другое снабжено радиальной щелью, а также трубкой-байпасом, сообщающим через запорный вентиль надпоршневое и подпоршневое пространства 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 45° к оси цилиндра.

Радиальная щель нижнего отражателя перпендикулярна перегородке, зафиксированной с помощью двух канавок на внутренней поверхности сосуда перпендикулярно оси окон.

Технический результат, получаемый за счет наличия разделительного поршня, прикрепленного к нижнему отражателю с фиксированным зазором, заключается в том, что кроме известной разделительной функции, выполняется и дополнительная функция - обеспечение возможности вертикального перемещения отражателей с целью их установки на определенных уровнях относительно смотровых окон, в том числе и на уровне фиксированного зазора между нижним отражателем и поршнем для прямого прохождения светового потока от одного окна к другому.

Технический результат, получаемый за счет выполнения отражателей в виде цилиндров, снабженных отражательными поверхностями под углом в 45° и размещенных в сосуде с узким зазором относительно внутренней его стенки, состоит в обеспечении возможности эффективного перемешивания исследуемой среды не с помощью специальной мешалки, а путем передавливания ее через узкие зазоры при перемещении поршня с отражателями посредством измерительного пресса, сообщающегося с подпоршневым пространством сосуда.

Технический результат, получаемый за счет выполнения в цилиндрическом основании нижнего отражателя сквозной радиальной щели, состоит в обеспечении возможности визуально определять границу раздела фаз тех микрообъемов выпавшего углеводородного конденсата, которые специально перемещаются в узкий зазор между нижним отражателем и внутренней стенкой сосуда, что существенно влияет на точность измерения объемов выпавшей жидкой фазы исследуемой среды.

Наличие прямоугольной перегородки с отверстием на уровне верхнего отражателя, зафиксированной с помощью двух канавок на внутренней поверхности сосуда перпендикулярно оси смотровых окон, позволяет наблюдать у смотрового окна лишь световой поток, идущий от отражателей, и тем самым устранить посторонний световой фон при регистрации момента потемнения (точки росы) исследуемой газоконденсатной системы.

Трубка-байпас, сообщающая через запорный вентиль надпоршневое и подпоршневое пространства между собой, обеспечивает возможность уравновешивания при необходимости давления поджимающей жидкости под разделительным поршнем с давлением исследуемого пластового флюида над ним и фиксирования измерительной системы на определенном уровне относительно оси окон на каждой ступени снижения давления в бомбе равновесия.

Таким образом, отличительные признаки заявляемой бомбы равновесия обеспечивают возможность определять давление насыщения пластовых нефтей, давление начала конденсации газоконденсатных систем, а также повышение точности измерения микрообъемов выпавшей жидкой фазы, чем и достигается расширение функциональных возможностей бомбы при сохранении надежности ее эксплуатации.

В доступных источниках патентной и другой научно-технической информации сведений о технических решениях, содержащих признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемого изобретения и дающие аналогичный технический результат, не выявлено. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию “изобретательский уровень”.

На фиг.1 изображена бомба равновесия, на фиг.2 представлены образы, которые необходимо и достаточно распознавать с ее помощью при изучении фазового поведения нефтяных и газоконденсатных систем в трех режимах.

Бомба равновесия состоит из термостатируемого цилиндрического сосуда высокого давления 1 с крышкой, на боковых стенках которого размещены смотровые окна 2 на уровне источника света 3 и пучков оптических волокон 4, встроенных в просверленные отверстия, и отверстия 5 и 6 со штуцерами для соединения с термостатируемыми ячейками рекомбинации или глубинным пробоотборником. С торцов сосуда выполнены отверстия со штуцерами 7 и 8 для соединения полости сосуда посредством стальных капилляров соответственно с образцовым манометром и измерительным прессом 9. Внутри сосуда расположены верхний 10 и нижний 11 отражатели, жестко связанные между собой посредством вертикальной прямоугольной перегородки 12 с отверстием в верхней его части, и разделительный поршень 13, прикрепленный с фиксированным зазором к нижнему отражателю 11. Верхний отражатель 10 выполнен в виде цилиндра, основание которого со стороны перегородки содержит внутренний вырез, образующий две симметрично наклоненные зеркальные поверхности под углом в 45° к оси цилиндра. Нижний отражатель 11 также выполнен в виде цилиндра, на верхнем основании которого расположены две зеркальные плоские грани, симметрично наклоненные к оси цилиндра под углом в 45°, а нижнее основание снабжено радиальной щелью прямоугольного сечения в направлении, перпендикулярном плоскости перегородки. При этом оба отражателя выполнены с диаметром немного меньше внутреннего диаметра сосуда, что создает узкие зазоры для передавливания через них и эффективного перемешивания исследуемой среды. Торцевые отверстия со штуцерами 7 и 8 сообщаются между собой через запорный вентиль 14 посредством трубки-байпаса 15.

Кроме того, прямоугольная перегородка 12 зафиксирована с помощью двух канавок на внутренней поверхности сосуда перпендикулярно оси смотровых окон 2.

Бомба равновесия для изучения фазового поведения углеводородов работает следующим образом.

Сосуд высокого давления 1 заполняют исследуемой средой, например пластовым флюидом или рекомбинированной пробой, герметизируют и нагревают до требуемой температуры с помощью системы термостатирования. При помощи измерительного пресса 9, приводящего в движение разделительный поршень 13, содержимое сосуда приводится к заданным термодинамическим условиям. Одновременно происходит перемешивание исследуемой среды за счет передавливания ее через узкие зазоры между отражателями 10, 11 и внутренней стенкой сосуда. Далее производится визуальное наблюдение через смотровые окна 2 за фазовым состоянием флюида путем установления конкретных термобарических режимов.

Режим 1. Определение давления начала конденсации (Рнк) пластовой газоконденсатной системы

Нижний отражатель света 11 при закрытом запорном вентиле 14 трубки-байпаса 15 устанавливают с помощью разделительного поршня 13 и измерительного пресса 9 на уровне оси смотровых окон 2, затем фиксируют это положение путем выравнивания давлений в надпоршневом и подпоршневом пространствах при открытом вентиле 14 трубки-байпаса 15. Далее корректируют пластовое давление в газоконденсатной системе по образцовому манометру, подключенному к бомбе равновесия через отверстие со штуцером 7. Световой поток от источника света 3 после прохождения входного световода 4 из оптического волокна и отражения от нижнего отражателя 11 достигает верхнего отражателя 10, проходит через круглое отверстие в перегородке 12, возвращается на нижний отражатель 11, проходит выходной световод 4 и достигает смотрового окошка 2. В процессе изотермического снижения давления, осуществляемого путем отвода в измерительный пресс 9 части рабочей поджимной жидкости, в момент “точки росы” и появления первых признаков тумана (Рнк) происходит резкое снижение яркости светового луча, прошедшего двойное расстояние между нижним 11 и верхним 10 отражателями.

Режим 2. Измерение микрообъемов выпавшего углеводородного конденсата

Перед измерениями объемов выпадающего при снижении давления углеводородного конденсата предварительно при закрытом запорном вентиле 14 байпаса 15 сквозную прямоугольную щель нижнего отражателя устанавливают с помощью разделительного поршня и измерительного пресса на уровне оси смотровых окон 2. Затем при открытом байпасе давление в однофазной газоконденсатной системе, представляющей собой газовый раствор углеводородных паров, снижают до заданного значения ниже Рнк и устанавливают равновесие газ - выпавший конденсат в течение не менее полутора-двух часов. После полного удаления из газового раствора углеводородов той части конденсата, которая может выпасть при заданных термобарических условиях равновесия, закрывают байпас и с помощью измерительного пресса 9 последовательно устанавливают на уровне щели и центральной оси смотрового окна (имеющего специальную горизонтальную отметку-риску) границу раздела фаз газ - конденсат и конденсат - поджимная жидкость (видимая часть этой границы соответствует ширине щели). Поскольку через щель и узкий зазор между цилиндрическими поверхностями измеряются с помощью пресса лишь микрообъемы выпавшего углеводородного конденсата, то практически не происходит изменения заданного давления в газоконденсатной системе. При этом точность измерения микрообъемов выпавшего углеводородного конденсата по заявляемому техническому решению значительно превосходит точность по прототипу. Так, согласно расчету, при одном и том же внутреннем диаметре бомбы равновесия, например 15 мм, ошибка в измерении высоты жидкого слоя на 1 мм приводит к абсолютной погрешности измерения его объема по прототипу и заявляемому техническому решению соответственно на 0,1766 и 0,0228 мл. Как видно, по заявляемому техническому решению эта погрешность меньше в 7,7 раз.

Режим 3. Визуальное определение давления насыщения (Ps) пластовой нефти

В этом случае при закрытом вентиле 14 байпаса 15 с помощью разделительного поршня 13 и измерительного пресса 9 совмещают свободное пространство, образованное зазором между нижним отражателем света 11 и разделительным поршнем 13, с осью смотровых окон 2 для обеспечения прямого прохождения светового потока от источника света 3 через оптические волокна 4 и светлую нефть в противоположное смотровое окно. Затем при открытом вентиле 14 байпаса 15 устанавливают с помощью измерительного пресса 9 пластовое давление. В процессе его изотермического снижения (путем отвода в измерительный пресс части рабочей поджимной жидкости) наблюдают момент появления и движения вверх первых пузырьков выделившегося газа. Таким образом устанавливают давление насыщения (Ps) светлой “летучей” пластовой нефти, а в случае более темной нефти усиливают яркость светового источника.

Использование заявляемого изобретения позволяет значительно расширить область применения бомбы равновесия за счет обеспечения возможности изучения фазового поведения темных и светлых “летучих” пластовых нефтей, а также газоконденсатных систем с широким диапазоном потенциального содержания жидких углеводородов С₅+ и повышения точности измерения микрообъемов жидкой фазы, выпадающей из них при снижении давления.

Изобретение может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности. Бомба для изучения фазового поведения углеводородов, состоящая из термостатируемого цилиндрического сосуда высокого давления с торцевыми и боковыми отверстиями, снабжена разделительным поршнем, который с фиксированным зазором прикреплен к нижнему отражателю, выполненному в виде цилиндра, одно основание которого содержит две зеркальные плоские грани, а также трубкой-байпасом, сообщающим через запорный вентиль надпоршневое и подпоршневое пространства 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. Технический результат - обеспечение многофункциональности бомбы и повышение точности измерения микрообъемов жидкой фазы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. 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, отличающаяся тем, что она 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 в 45°, 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 45° к оси цилиндра.2. Бомба по п.1, отличающаяся тем, что радиальная щель нижнего отражателя перпендикулярна перегородке, зафиксированной с помощью двух канавок на внутренней поверхности сосуда перпендикулярно оси окон.