ЯЧЕЙКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕКУЧИХ СРЕД ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ДАВЛЕНИЯХ Российский патент 2010 года по МПК G01N1/10 G01N33/28 

Предпосылки создания изобретения

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к испытательной ячейке, предназначенной для исследования текучих сред при повышенных давлениях. Более конкретно, испытательная ячейка настоящего изобретения содержит находящийся при нулевом давлении цилиндр, предназначенный для использования при исследованиях давления, объема и температуры (ДОТ) пластовых текучих сред и их свойств в лаборатории и в полевых условиях.

В ячейках давления-объема-температуры и конденсатных ячейках нефтяные текучие среды могут быть исследованы при изменяющихся значениях давления и температуры, моделирующих условия в нефтяных коллекторах, до и в процессе добычи. Обычно эти текучие среды содержат газ. Изменение плотности (сжимаемость) текучей среды и тенденция к выходу газа из раствора при понижении давления представляют особый интерес.

Ячейки давления-объема-температуры (ДОТ-ячейки) оптимизируют для исследования нефти с растворенным газом, тогда как конденсатные ячейки оптимизируют для исследования легкой нефти при высоком отношении газа к нефти. В дальнейшем обе они называются ДОТ-ячейками.

Описание уровня техники

До конца восьмидесятых годов способ регулирования давления в этих ДОТ-ячейках заключался в закачивании ртути в ячейку и откачивании ее из ячейки, при этом ртуть считалась инертной по отношению к нефтяным текучим средам.

Однако имелись некоторые факторы риска, сопровождавшие обращение с ртутью при высоких значениях давления и температуры, и этот способ в значительной степени был заменен другими способами изменения объема в ДОТ-ячейках. Некоторое количество этих новых конструкций основано на цилиндрических ячейках с уплотненным поршнем, который может перемещаться с помощью непосредственного механического привода или гидравлического привода.

Проблема, связанная с поршневым решением, заключается в том, что диаметр ячейки изменяется в зависимости от давления, и поэтому изменяется зазор между поршнем и стенкой, из чего следуют довольно высокие требования к уплотнениям.

Чтобы разрешить проблему зазора, изменяющегося в зависимости от давления, относительно тонкий внутренний цилиндр, который находится в контакте с динамическим уплотнением на поршне и с текучим средами, помещают в толстостенный цилиндр высокого давления. Пространство между цилиндрами заполняют гидравлической жидкостью и соединяют с той же линией, по которой такую жидкость под высоким давлением подают для гидравлического регулирования положения поршня. Таким образом гарантируется, что перепад давления на внутреннем цилиндре будет незначительным.

Этим решением достигаются следующие преимущества.

1. Материал внутреннего цилиндра можно выбирать независимо так, чтобы он удовлетворял различным требованиям. Материал внутреннего цилиндра может быть выбран из условия химической совместимости с текучими средами (например, Hastelloy С, стекло, Inconel), тогда как внешний цилиндр должен быть достаточно прочным, чтобы он удовлетворял требованиям по давлению (например, из высокопрочной стали) или сочетанию требований по массе и прочности (например, из Ti-6Al-4V (90% Ti, 6% Al, 4% V, остальное Fe, O)).

2. Диаметр внутренней трубки не должен изменяться в зависимости от давления, и поэтому объем камеры для исследуемой текучей среды зависит только от положения поршня, которое можно контролировать непосредственно.

Это решение применено в ячейках, называемых “DBR Jefri” (состоящих из собственно ячейки DB Robinson и насоса Jefri), с использованием находящегося под нулевым давлением внутреннего цилиндра, выполненного из стеклянного материала, и с внешним соединением для давления за пределами внутреннего цилиндра и давления позади поршня.

Если случайно поршень находится в нижней части цилиндра, разность давлений на стенке внутреннего цилиндра может возникать вследствие повышенного давления внутри исследуемой текучей среды (обусловленного повышением температуры или загрузкой дополнительной исследуемой текучей среды) или в результате падения давления в гидравлической системе. В зависимости от хрупкости или пластичности материала цилиндра эта разность давлений может вызывать разрыв или пластическую деформацию стенки внутреннего цилиндра.

Хотя решением DBR обеспечиваются находящийся под нулевым давлением внутренний цилиндр и химическая совместимость с исследуемыми текучими средами, деформационные характеристики материалов и зазоры являются такими, что возможна деформация и/или разрыв внутреннего цилиндра.

Следовательно, существует необходимость в устройстве, альтернативном описанным выше устройствам, чтобы выполнять исследования давления, объема и температуры без опасности и затруднения по причине разрыва или деформирования внутреннего цилиндра.

Сущность изобретения

Настоящим изобретением разрешается проблема получения ДОТ-ячейки, усовершенствованной по сравнению с ячейками из предшествующего уровня техники.

Согласно настоящему изобретению решение заключается в создании испытательной ячейки для исследования текучих сред при повышенных давлениях, при этом тестовая ячейка содержит:

- внутренний цилиндр, внутри которого поршень является аксиально подвижным за счет гидравлического средства для регулирования давления и объема текучей среды, содержащегося на стороне поршня для исследуемой текучей среды, при этом внутренний цилиндр имеет тонкую стенку цилиндра и закрыт на конце со стороны указанной стороны для исследуемой текучей среды,

- внешний цилиндр, коаксиально расположенный снаружи внутреннего цилиндра, посредством чего образуется кольцевое пространство между цилиндрами, при этом внешний цилиндр имеет утолщенную и прочную конструкцию и, по меньшей мере, одно отверстие для ввода гидравлической текучей среды к гидравлической стороне поршня, противоположной стороне для исследуемой текучей среды, и к кольцевому пространству. Испытательная ячейка изобретения отличается тем, что кольцевое пространство имеет меньший радиальный размер, чем максимальный диапазон упругого расширения внутреннего цилиндра, за счет чего разрыв внутреннего цилиндра в результате перепада давления на стенке цилиндра может быть исключен вследствие ограничения внешним цилиндром.

Чтобы обеспечить удобную и эффективную процедуру сборки, а также простую схему расположения гидравлического отверстия для испытательной ячейки согласно изобретению, в нижеследующем предпочтительном осуществлении изобретения предусмотрено: внешний цилиндр закрыт уплотняющей заглушкой, имеющей осевой зазор к открытому концу внутреннего цилиндра, в результате чего обеспечивается сообщение по текучей среде между гидравлической стороной внутри внутреннего цилиндра и кольцевым пространством. Следовательно, для гидравлической жидкости необходимо всего одно отверстие.

Кроме того, чтобы обеспечить простое и эффективное средство для измерения объема исследуемой текучей среды, в другом предпочтительном осуществлении предусмотрен аксиально расположенный поршневой шток, прикрепленный к поршню и продолжающийся из ячейки через уплотненное отверстие в концевом запорном элементе и за измерительное устройство, предназначенное для определения положения поршня.

Краткое описание чертежа

Ниже более подробное пояснение изобретения будет дано со ссылкой на чертеж, на котором показано сечение ДОТ-ячейки согласно схематическому (идеализированному) осуществлению настоящего изобретения.

Описание предпочтительных осуществлений изобретения

На чертеже показана ячейка давления-объема-температуры (ДОТ-ячейка) согласно осуществлению настоящего изобретения. Относительно тонкий внутренний цилиндр 2, который находится в контакте с динамическим уплотнением 3 на поршне 4 и с текучей средой 9, подлежащей исследованию, а также с гидравлической текучей средой 10, окружен толстостенным цилиндром 5 высокого давления. Кольцевое пространство 6 между цилиндрами 2 и 5 заполняют гидравлической текучей средой путем соединения с той же самой линией 7, с помощью которой управляют положением поршня. Текучие среды 9 высокого давления, которые представляют на исследование, подают через отверстие 8 высокого давления в верхней части ячейки 1.

Промежуток 6 между внутренним и внешним цилиндрами 2, 5 настолько мал, что он меньше, чем предел упругого деформирования внутреннего цилиндра 2, так что при неожиданном расширении внутренний цилиндр окажется покоящимся на внешнем цилиндре 5 до того, как разрушится. Поэтому ячейка является устойчивой и не будет повреждаться при деформации, обусловленной внутренним давлением, даже если внешнее давление упадет существенно.

Причиной расширения внутреннего цилиндра 2 может быть повышенное давление внутри, повышенная температура содержащейся текучей среды или повышенная температура текучей среды и/или окружающего материала внешнего цилиндра, передающего теплоту с повышением температуры стенки внутреннего цилиндра.

При дополнительном обращении к чертежу видно, что в соответствии с осуществлением испытательной ячейки обеспечивается защищенная от разрушения и находящаяся при нулевом давлении ДОТ-ячейка цилиндрической конструкции. Глубоко внутри находится скользящий поршень 4, который разделяет пространство внутреннего цилиндра на верхний отсек для приема в него исследуемой текучей среды 9 высокого давления и нижний отсек для приема в него гидравлической текучей среды 10. Поршень 4 может перемещаться внутри относительно тонкостенного контейнера 2 для текучей среды, который имеет по существу постоянный внутренний диаметр и концентрический с ним, столь же постоянный наружный диаметр. На верхнем конце этот внутренний цилиндр 2 закрыт на месте 11 укупорочным элементом 15, который предпочтительно должен быть выполнен за одно целое с тонкостенным цилиндром 2. Через концевой укупорочный элемент 15 проходит отверстие 8 для текучей среды, предназначенное для впуска исследуемой текучей среды в испытательную камеру над поршнем 4 и выпуска из нее. Когда отверстие 8 закрыто, объем и давление текучей среды внутри верхней камеры определяются положением поршня 4.

Внешний цилиндр 5 окружает тонкостенный внутренний цилиндр 2. Нет необходимости в том, чтобы внешний цилиндр обязательно имел внешнюю форму, которая является цилиндрической, но внутренний профиль должен быть цилиндром, коаксиальным с внутренним цилиндром, и с внутренним диаметром, только несколько большим, чем наружный диаметр внутреннего цилиндра. Следовательно, существенным является то, что имеется по существу постоянный и коаксиальный круговой зазор 6 между двумя цилиндрами. Этот зазор 6 имеет форму кольцевого канала. Этот кольцевой канал продолжается по всей длине внутреннего цилиндра. В показанном осуществлении внешний цилиндр 5 снабжен небольшим заплечиком на месте, показанном позицией 17. Выше этого места внешний цилиндр 5 прочно соединен с концевым запорным элементом 15 внутреннего цилиндра 2.

Важно, что радиальный размер кольцевого канала 6 меньше диапазона упругого деформирования внутреннего цилиндра 2. Если внутренний цилиндр 2 подвергается изнутри воздействию повышенного давления по сравнению с давлением снаружи, стенка внутреннего цилиндра 2 будет стремиться расшириться. В таком случае внутренняя стенка 5 будет ограничивать дальнейшее расширение внутреннего цилиндра и предохранять его от разрыва.

Чтобы обеспечить одинаковое гидравлическое давление на текучую среду 10 как в кольцевом канале 6, так и в камере гидравлического давления под поршнем 4, можно обеспечить сообщение по текучей среде между этими двумя пространствами, как, например, обозначенное в осуществлении изобретения, показанном на чертеже, а именно, обеспечив небольшой осевой зазор 13 между нижним концом внутреннего цилиндра 2 и уплотняющей заглушкой 12 несколько ниже. Уплотняющая заглушка 12 представляет собой стопорный элемент, вводимый снизу и закрепляемый внутри внешнего цилиндра 5.

Согласно этому осуществлению изобретения имеется необходимость только в одном отверстии 7 для гидравлической текучей среды от источника гидравлического давления (непоказанного), поскольку гидравлическая текучая среда будет входить в кольцевое пространство 6 из нижней части внутренней стороны цилиндра.

Однако, согласно другому осуществлению, запорный элемент на нижнем конце внутренней стороны цилиндра может быть прикреплен к самому внутреннему цилиндру 2, или может не быть зазора между уплотняющей заглушкой, аналогичной заглушке 12, и внутренним цилиндром 2. В таком случае, по меньшей мере, одно дополнительное отверстие для гидравлической текучей среды должно быть обеспечено через внешний цилиндр 5 к кольцевому каналу 6.

В принципе, можно рассмотреть дальнейшее осуществление, в котором концевая запорная деталь 15 внутреннего цилиндра выполнена за одно целое с внешним цилиндром 5 в области 16, так что внутренний и внешний цилиндры на самом деле выполнены в виде одной детали, а именно с кольцевым пространством 6, вырезанным в одной «исходной цилиндрической» детали. Однако такая операция является довольно сложной, так что согласно предпочтительному осуществлению изобретения имеется отдельный внутренний цилиндр 2, как, например, показанный на чертеже, прочно соединенный с внешним цилиндром на верхнем конце 15, 16 посредством резьбового соединения. Видно, что в таком случае при выполнении операции сборки предпочтительно свинчивать внешний цилиндр 5 и внутренний цилиндр 2 в верхней области (15, 16, 17) и после этого вводить снизу поршень 4 во внутреннее пространство. В заключение, концевая заглушка 12 может быть плотно ввинчена в нижний конец внешнего цилиндра. На верхнем конце 16 внешнего цилиндра имеется заплечик на внутренней стороне, предназначенный для задания момента прекращения первой части операции сборки. Другим заплечиком с позиционным обозначением 17 определяется осевой размер важного кольцевого канала 6.

На чертеже также показан указатель, относящийся к измерительному устройству, предназначенному для определения положения поршня 4 и, следовательно, объема исследуемой текучей среды 9 в верхней камере. Пунктирной линией изображен поршневой шток 18, прикрепленный к нижней части поршня 4 и продолжающийся по всей длине через уплотняющую заглушку 12. Поэтому, конечно, в заглушке 12 имеется тонкий сквозной канал с уплотнениями, так что исключается утечка по нему. Поршневой шток выполнен достаточно длинным, для прохождения к маркерному или отсчетному устройству 19 даже в случае, когда поршень 4 находится в верхнем положении. Отсчетное устройство 19 взаимодействует с отметками на поршневом штоке 18 для определения положения поршня.

Что касается материалов, то материал внутреннего цилиндра 2 должен выбираться не столько исходя из прочности, как исходя из химической совместимости с текучими средами. Поэтому ранее упоминавшиеся материалы Hastelloy C, стекло или Inconel являются подходящими материалами. Для внешнего цилиндра необходимо только, чтобы он был достаточно прочным для удовлетворения требований по давлению, например, выполненным из высокопрочной стали, или требований, касающихся сочетания прочности и массы, например, выполненным из Ti-6Al-4V (90% Ti, 6% Al, 4% V, остальное Fe, O).

В практическом примере длина ДОТ-ячейки, как, например, показанной на чертеже, составляет около 500 мм, наружный диаметр может изменяться в широких пределах (как упоминалось ранее, нет необходимости даже в том, чтобы внешняя форма была цилиндрической), но наружный диаметр внутреннего цилиндра 2 может быть около 50 мм, тогда как стенка внутреннего цилиндра составляет около 2 мм. Радиальный размер кольцевого канала 6 обычно может находиться в пределах 0,05 мм - 1,0 мм. Типичный осевой размер внутреннего цилиндрического пространства составляет 200 мм, и осевой размер поршня 4 может быть около 50 мм.

Ни материалы, указанные в настоящей заявке в качестве примеров, ни указанные размеры не должны толковаться как ограничивающие объем настоящего изобретения.

Изобретение относится к испытательной ячейке для исследования текучих сред при повышенных давлениях. Испытательная ячейка содержит внутренний цилиндр, внутри которого поршень является аксиально подвижным за счет гидравлического средства для регулирования давления и объема текучей среды, содержащегося на стороне поршня для исследуемой текучей среды. При этом указанный внутренний цилиндр имеет тонкую стенку и закрыт на конце со стороны указанной стороны для исследуемой текучей среды. Ячейка содержит внешний цилиндр, коаксиально расположенный снаружи указанного внутреннего цилиндра, посредством чего образуется кольцевое пространство между указанными цилиндрами. При этом внешний цилиндр имеет утолщенную и прочную конструкцию и, по меньшей мере, одно отверстие для ввода гидравлической текучей среды к гидравлической стороне указанного поршня, противоположной указанной стороне для исследуемой текучей среды, и к указанному кольцевому пространству. Причем кольцевое пространство имеет меньший радиальный размер, чем максимальный диапазон упругого расширения указанного внутреннего цилиндра, за счет чего разрыв указанного внутреннего цилиндра в результате высокого перепада давления на стенке цилиндра может быть исключен вследствие ограничения указанным внешним цилиндром. Достигаемый при этом технический результат заключается в обеспечении безопасного исследования давления, объема и температуры и исключении разрыва и деформирования внутреннего цилиндра. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Испытательная ячейка для исследования текучих сред при повышенных давлениях, содержащая
внутренний цилиндр (2), внутри которого поршень (4) является аксиально подвижным за счет гидравлического средства (7, 10) для регулирования давления и объема текучей среды (9), содержащегося на стороне поршня (4) для исследуемой текучей среды, при этом указанный внутренний цилиндр (2) имеет тонкую стенку и закрыт на конце (11) со стороны указанной стороны для исследуемой текучей среды,
внешний цилиндр (5), коаксиально расположенный снаружи указанного внутреннего цилиндра (2), посредством чего образуется кольцевое пространство (6) между указанными цилиндрами (2, 5), при этом указанный внешний цилиндр (5) имеет утолщенную и прочную конструкцию и, по меньшей мере, одно отверстие (7) для ввода гидравлической текучей среды (10) к гидравлической стороне указанного поршня (4), противоположной указанной стороне для исследуемой текучей среды, и к указанному кольцевому пространству (6),
отличающаяся тем, что указанное кольцевое пространство (6) имеет меньший радиальный размер, чем максимальный диапазон упругого расширения указанного внутреннего цилиндра (2), за счет чего разрыв указанного внутреннего цилиндра (2) в результате высокого перепада давления на стенке цилиндра может быть исключен вследствие ограничения указанным внешним цилиндром (5).

2. Испытательная ячейка по п.1, отличающаяся тем, что указанный внешний цилиндр (5) закрыт уплотняющей заглушкой (12), имеющей осевой зазор (13) к открытому концу (14) указанного внутреннего цилиндра (2), в результате чего обеспечивается сообщение по текучей среде между указанной гидравлической стороной внутри указанного внутреннего цилиндра (2) и указанным кольцевым пространством (6).

3. Испытательная ячейка по п.1, отличающаяся тем, что аксиально расположенный поршневой шток (18) прикреплен к указанному поршню (4) и проходит из указанной ячейки (1) через уплотненное отверстие в концевом укупорочном элементе (12) и за измерительным устройством (19), предназначенным для определения положения поршня.