Устройство для проведения лабораторных испытаний поверхностно-активных веществ Российский патент 2024 года по МПК G01N13/00 G01N21/29 B01J10/00 

Изобретение относится к газовой промышленности и применяется для проведения лабораторных испытаний пенообразующих свойств поверхностно-активных веществ в жидкости из скважин.

В процессе эксплуатации газовых и газоконденсатных месторождений происходит естественное снижение пластового давления и внедрение в продуктивный горизонт подошвенной и законтурной воды. В результате этого происходит сокращение продуктивности скважин, снижение дебита и скорости восходящего потока газа. Когда скорость восходящего потока, при которой обеспечивается стабильный вынос капельной жидкости на устье, становится ниже критической, жидкость скапливается на забое. Её столб создаёт гидростатическое давление, которое снижает депрессию на пласт. Производительность скважины постепенно уменьшается, вплоть до полной её остановки. Данный процесс называется самозадавливанием скважины.

Для восстановления условий нормальной эксплуатации скважины скопившийся в стволе скважины столб жидкости необходимо удалить. Одним из методов удаления жидкости является технология её вспенивания специальными поверхностно-активными веществами (далее – ПАВ). Достигаемый эффект за счёт ПАВ – снижение поверхностного натяжения на границе раздела фаз, снижение плотности газожидкостной смеси на забое скважины за счёт образования пены. Необходимым условием для эффективного удаления жидкости с помощью ПАВ является образование на забое скважины стабильной пены и продолжительность её существования.

В зависимости от типа, состава и свойств скважинной жидкости максимальная пенообразующая способность достигается в определенном интервале концентраций ПАВ. Малые концентрации ПАВ не позволяют достичь критической концентрации мицеллообразования, при которой начинает образовываться пена, а также достаточно снизить силы поверхностного натяжения растворов. Избыточная концентрация ПАВ приводит к увеличению расходов на обработку скважины, а также может привести к чрезмерной стойкости пены и образованию жидкостно-углеводородной эмульсии.

Знание свойств ПАВ позволяет управлять процессами пенообразования. Лабораторные исследования позволяют быстро и относительно дёшево оценить характеристики различных ПАВ, определить их оптимальные дозировки для эффективного вспенивания скважинной жидкости. Эти испытания основаны на измерении кратности, плотности и дисперсности пены, образующейся при перемешивании ПАВ в скважинной жидкости при их различном соотношении, а также на оценке её стойкости – времени разрушения. Очень важно эти параметры определять при температуре и pH-факторе среды, соответствующих скважинным. Для этого используют различное лабораторной оборудование.

Известна методика и установка Росс-Майлса для лабораторного испытания пенообразующей способности составов ПАВ [Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. М., «Химия», 1975. стр. 86-88], которая состоит из мерного цилиндра, помещённого в водяную рубашку, снабжённую двумя выводами для соединения с термостатом, дозировочной пипетки для ввода раствора в мерный цилиндр.

Недостатком данной установки является метод получения пены – в результате выливания раствора постоянного объёма с определённой высоты на поверхность того же раствора через калиброванное отверстие, что по своей сущности не воспроизводит кинетические процессы пенообразования на забое скважины. В результате свойства пены, полученные в установке, будут существенно отличаться от свойств пены, образующейся на забое скважины.

Известно устройство для проведения стендовых испытаний жидких и твердых поверхностно-активных веществ [RU 170211, G01N 13/00, опубл. 18.04.2018], предназначенных для удаления жидкости с забоя и ствола скважины. Оно включает следующий перечень основных элементов: резервуар с пластовой жидкостью, отобранной с газовой или газоконденсатной скважины; трубки и ёмкости, моделирующие конструкцию скважины и лифтовую колонну; имитатор песчаника, моделирующий движение газа в пористой среде; воздушный компрессор, моделирующий приток газа на забой скважины; ротаметр, осуществляющий регулировку подачи воздуха.

Данная установка обладает следующими недостатками. Первый – отсутствие термостата не позволяет нагревать раствор до требуемой температуры и поддерживать его температуру в процессе эксперимента, что снижает достоверность результатов оценки основных свойств пены. Второй – использование воздушного компрессора, в результате чего в процессе пропускания атмосферного воздуха через слой жидкости (барботирование) может происходить окисление химических элементов, растворённых в пластовой жидкости. В результате этого произойдёт изменение условий процесса пенообразования. Третий недостаток – отсутствие автоматизации контроля за процессом пенообразования без участия оператора. Это увеличивает влияние человеческого фактора на результаты испытания, увеличивает трудоёмкость лабораторного эксперимента и может повлиять на воспроизводимость полученных результатов.

Известна установка для проведения экспериментов, связанных с имитацией динамических процессов, происходящих в газовой или газоконденсатной скважине [RU 2654889, МПК Е21В 47/00, опубл. 23.05.2018]. Данная установка состоит из: основной и внутренней колонны прозрачный труб; системы подачи и регулирования расхода газа; термостатируемой системы подачи и регулирования расхода жидкостей; системы подачи и регулирования расхода реагента (ПАВ), и т.д. Установка снабжена контрольно-измерительными приборами, устройствами видео- и фоторегистрации.

Недостаток этой установки заключается в том, что она достаточно громоздкая, для её размещения требуется отдельное помещение, предпочтительно ангарного типа, что усложняет и удорожает процесс проведения экспериментов.

Задача изобретения – расширение спектра лабораторного оборудования для испытаний пенообразующей способности различных растворов поверхностно-активных веществ с жидкостью из газовых и газоконденсатных скважин. Указанная задача решается за счёт создания устройства для проведения лабораторных испытаний различных ПАВ, включающего ряд конструктивно соединённых между собой элементов, способствующих точности определения параметров образующейся пены и снижающих трудоёмкость и стоимость экспериментов.

Устройство для проведения лабораторных испытаний поверхностно-активных веществ содержит барботажную емкость, в нижней части которой размещен термометр, состоящую из внутренней и внешней колонн с образованием между ними водяной рубашки, выполненную из прозрачного химически и термически стойкого стекла и снабженную пористым диском в нижней части, газовый коллектор, подключенный через обратный клапан к системе подачи, контроля и регулирования расхода инертного газа, термостат, водяной насос с контуром водопровода для подачи теплоносителя в водяную рубашку, при этом контур водопровода и газовый коллектор покрыты теплоизолирующим слоем, вокруг барботажной емкости расположена светодиодная лента с изменяемой цветовой температурой и яркостью, подключенная к электросети, блок оптических датчиков, подключенных через микропроцессорный контроллер к персональному компьютеру, смотровое окно с известными линейными размерами ячейки, камеру для фотосъемки, которая имеет кратность увеличения в 10-1000 раз, видеокамеру, при этом система подачи, контроля и регулирования расхода инертного газа включает в себя присоединенные к газовому коллектору ротаметр, регулятор расхода газа, подключенные через газовый редуктор к источнику инертного газа, а термостат включен в систему подачи, контроля и регулирования расхода инертного газа, связан с водяным насосом и контуром водопровода и представляет собой теплообменник, в корпусе которого размещены трубка-змеевик, трубчатый электронагреватель и терморегулятор, подключенный к коммутационному блоку управления термостатом.

Технический результат достигается тем, что устройство для проведения лабораторных испытаний поверхностно-активных веществ использует диспергационные методы пенообразования – дробление пузырьков газа при помощи пористого диска, моделирует процесс пропускания газа через слой жидкости на забое скважины, в результате которого создаётся большая межфазная поверхность на границе жидкости и газа и формируется пена, согласно изобретению включает баллон сжатого газа, редуктор с регулятором расхода газа, коллектор высокого и низкого давления, теплообменник с регулируемой температурой теплоносителя для создания требуемых термостатируемых условий, расходомер постоянного перепада давления (ротаметр), термометр, мерный цилиндр со смотровым окном для микрофотографирования пены, а также специальную подсветку и блок оптических датчиков, позволяющих в автоматическом режиме считывать динамику изменения высоты столба и оптическую плотность пены.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемой (фиг. 1).

Конструкция предлагаемого устройства для проведения лабораторных испытаний поверхностно-активных веществ содержит мерный цилиндр 1 из прозрачного термически и химически стойкого стекла (далее – колонна), низ которого оснащён пористым диском 2, которые совместно имитируют конструкцию скважины и позволяют воссоздать газодинамические процессы, протекающие в околоскважинном пространстве и стволе скважины. Мерный цилиндр окружён прозрачной колонной 3 и образует полость – водяную рубашку, предназначенную для циркуляции воды с целью поддержания заданной температуры по всей длине мерного цилиндра. На мерном цилиндре нанесена шкала, позволяющая осуществлять визуальный контроль процесса пенообразования. В нижней части колонны предусмотрен термометр 4, который используется для контроля температурного режима, при котором происходит пенообразование. Совместно все эти элементы образуют барботажную ёмкость, в которой и происходит процесс пенообразования.

В нижней части барботажной ёмкости установлен обратный клапан 5, который защищает газовый коллектор 6 от попадания в него раствора скважинной жидкости и ПАВ. Газовый коллектор конструктивно соединён с расходомером постоянного перепада давления (ротаметром) 7, вентилем-регулятором расхода газа 8, которые совместно позволяют установить и контролировать заданный объёмный расход газа, направляемый в барботажную ёмкость.

Газовый коллектор 6 конструктивно соединён с теплообменником, который состоит из корпуса 9, трубки-змеевика 10 из материала с высоким коэффициентом теплопередачи, трубчатого электронагревателя (ТЭН) 11 и терморегулятора 12, подключённых к коммутационному блоку управления термостатом с регулятором температуры 13, который при достижении заданной температуры замыкает или размыкает электрическую цепь. Также теплообменник конструктивно соединён с водяным насосом (помпой) 14 с электроприводом и контуром водопровода 15, через который подаётся теплоноситель в водяную рубашку. Теплообменник заполняется водой и позволяет нагреть газ в барботажной ёмкости до требуемой температуры испытания и обеспечить постоянство температурного режима на протяжении всего эксперимента.

Контур водопровода 15 и газовый коллектор 6 покрыты теплоизолирующим слоем 16, что позволяет сохранить тепловую энергию.

Теплообменник последовательно соединён с устройством для понижения давления газа до рабочего (газовый редуктор с регулировочным винтом и контрольными манометрами) 17 и источником сжатого газа 18. При проведении экспериментов используется инертный газ, что обеспечивает пожарную безопасность и не допускает окисление химических элементов, растворённых в пластовой жидкости при пропускании через неё мелкодисперсных пузырьков газа.

Барботажная ёмкость располагается между источником света – светодиодной лентой 19 с изменяемой цветовой температурой и яркостью и блоком оптических датчиков 20, которые предназначены для фиксации интенсивности светового потока по мере изменения высоты столба пены. Светодиодная лента подключается к электроснабжению через контроллер 21, блок питания 22 и блок выключателей электрического тока 23.

Блок оптических датчиков подключается к микропроцессорному контроллеру 24, который подключён к персональному компьютеру 25. Это позволяет в автоматическом режиме фиксировать изменение уровня столба пены и жидкости, а также оптическую плотность пены фотоколориметрическим методом.

С целью визуальной фиксации кинетических процессов образования и разрушения пены напротив колонны устанавливается видеокамера 26, а для изучения дисперсности пены методом микрофотографирования предусмотрено специальное смотровое окно 27 с известными линейными размерами ячейки и расположенная напротив него камера 28 для фотосъёмки.

Ввод в барботажную ёмкость раствора скважинной жидкости и ПАВ производится через лабораторный сосуд для точного определения объёмов жидкости (бюретка) 29, которая располагается по центральной оси мерного цилиндра.

Устройство для проведения лабораторных испытаний поверхностно-активных веществ работает следующим образом.

При помощи регулятора температуры коммутационного блока управления термостатом 13 устанавливают требуемую температуру испытания. Замыкая электрическую цепь на блоке выключателей электрического тока 23 подают питание на ТЭН 11, где электрическая энергии преобразуется в тепловую и передаёт её через теплообменную жидкость трубке-змеевику 10.

Замыкая электрическую цепь на блоке выключателей электрического тока 23, подают питание на электрический привод водяного насоса 14, при помощи которого создаётся циркуляция теплообменной жидкости в контуре водопровода 15 и водяной рубашке, обеспечивая заданную температуру испытания по всей длине барботажной ёмкости.

При достижении теплообменной жидкости заданной температуры испытания инертный газ от источника 18 через устройство для понижения давления газа до рабочего 17 подаётся в трубку-змеевик 10, где происходит его нагрев. Поддержание температуры испытания в заданном диапазоне обеспечивается терморегулятором 12 в паре с коммутационным блоком управления термостатом 13.

Открытием вентиля-регулятора расхода газа 8 инертный газ через газовый коллектор 6, обратный клапан 5 и пористый диск 2 подаётся в мерный цилиндр 1 барботажной ёмкости. За счёт этого моделируют восходящий поток газа в стволе скважины и обеспечивают условия для барботирования газа в скважинной жидкости, при котором создаётся большая межфазная поверхность на границе жидкости и газа. Температуру в мерном цилиндре 1 контролируют термометром 4. В случае необходимости температура может быть скорректирована при помощи регулятора температуры коммутационного блока управления термостатом 13. Объёмный расход газа контролируют при помощи расходомера постоянного перепада давления (ротаметра) 7 и при помощи вентиля-регулятора 8 устанавливают таким, чтобы скорость его восходящего потока в мерном цилиндре 1 соответствовала скорости восходящего потока в стволе моделируемой скважины.

Замыкая электрическую цепь на блоке выключателей электрического тока 23, подают питание на источник света – светодиодную ленту 19 и при помощи контроллера 21 устанавливают необходимые цветовую температуру и яркость свечения. Блок оптических датчиков 20 приводят в рабочий режим.

Заранее подготовленный раствор исследуемой скважинной жидкости и ПАВ с заданной концентрацией при помощи лабораторного сосуда для точного определения объёмов жидкости (бюретка) 29 вливают в мерный цилиндр 1. Формирование пены происходит за счёт продувки газа через слой раствора скважинной жидкости и ПАВ. Раствор барботируют до момента стабилизации уровня пены.

При помощи блока оптических датчиков 20 фиксируют интенсивность света, прошедшего от светодиодной ленты 19. При прохождении света через слой пены он рассеивается и интенсивность светового потока, поступающего на оптические датчики, ослабевает. Сигнал от блока оптических датчиков 20 поступает в микропроцессорный контроллер 24, где происходит аналого-цифровое преобразование и передача данных на разъём для подключения внешних устройств персонального компьютера 25. В автоматическом режиме замеряют объём образовавшейся пены. Для контроля весь процесс в режиме реального времени фиксируют при помощи видеокамеры 26 и шкалы в мерном цилиндре 1. При необходимости это позволяет сопоставить данные, полученные в автоматическом режиме с данными визуально-измерительного контроля.

Через смотровое окно 27 выполняют фотосъёмку камерой 28 с кратностью увеличения в 10-1000 раз (микрофотографирование). Принцип изучения дисперсности пены методом микрофотографирования поясняется схемой (фиг. 2). По фотографиям с помощью специальной программы для ЭВМ или визуально при помощи мерной шкалы определяют размеры каждого пузырька. Строится гистограмма нормального распределения диаметров пузырьков пены и по медианному значению определяется их средний диаметр (). Дисперсность пены (, мм^-1) рассчитывается по формуле

(1)

Прекращают нагнетать газ в барботажную ёмкость. Фиксируют динамику распада пены.

Кратность пены вычисляют по формуле

(2)

где – объём образовавшейся пены, см³;

– исходный объём раствора, см³.

Плотность пены на забое скважины (, кг/м³) вычисляют по формуле

(3)

где – плотность раствора, кг/м³;

– плотность газа в стволе скважины, которую вычисляют по формуле

(4)

где – давление на забое скважины, Па;

– молярная масса пластового газа, кг/моль;

– универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль∙K);

– температура газа на забое скважины, К;

z – коэффициент сверхсжимаемости газа, вычисляется по формуле

(5)

где и – фактическая и критическая температура газа, К;

и – фактическое и критическое давление газа, МПа.

Рассчитывают время (, c), в течение которого газовый поток поднимается с забоя до устья моделируемой скважин

(6)

где – длина моделируемой скважины по стволу, м;

– средняя скорость восходящего газового потока в стволе скважины, м/с.

Кратность пены на устье скважины () рассчитывают по формуле

(7)

где – объём оставшейся пены по истечении времени , см³;

– начальный объём раствора, см³;

– объём раствора, выделившийся из пены, объём раствора по истечении времени , см³.

Плотность пены на устье скважины (, кг/м³) вычисляют по формуле

(8)

где – плотность газа на устье скважины с учётом его состава и термобарических характеристик рассчитывается по формуле

(9)

где – давление на устье скважины, Па;

– молярная масса газа, кг/моль;

– температура газа на устье скважины, К.

Критическую скорость (, м/с) восходящего потока газа для обеспечения постоянного выноса капельной жидкости из ствола скважины при использовании пенообразующего состава вычисляют по формуле

(10)

где – поверхностное натяжение раствора,

Н/м; – плотность пены, кг/м³,

– плотность газа в стволе скважины, кг/м³;

– синус зенитного угла ствола скважины в интервале, расчёт критической скорости газа для выноса капельной жидкости.

Испытания каждого образца раствора с одной дозировкой пенообразователя проводят не менее трёх раз. Расхождение между результатами трёх определений не должны превышать ±10% среднего арифметического значения. За результат испытаний принимают среднее арифметическое.

После проведения лабораторного теста установку промывают водой до тех пор, пока в колонне не останется следов пены. Затем проводят ополаскивание дистиллированной водой.

Предлагаемое устройство повышает точность определения параметров образующейся пены и снижает трудоемкость и стоимость экспериментов. Устройство имеет небольшие габаритные размеры, позволяющие использовать его в стандартных лабораторных помещениях.

Изобретение относится к газовой промышленности. Раскрыто устройство для проведения лабораторных испытаний поверхностно-активных веществ, содержащее барботажную емкость, состоящую из внутренней и внешней колонн с образованием между ними водяной рубашки, выполненную из прозрачного химически и термически стойкого стекла и снабженную пористым диском в нижней части, газовый коллектор, подключенный через обратный клапан к системе подачи, контроля и регулирования расхода инертного газа, термостат, водяной насос с контуром водопровода для подачи теплоносителя в водяную рубашку, расположенные вокруг барботажной емкости светодиодную ленту с изменяемой цветовой температурой и яркостью, подключенную к электросети, блок оптических датчиков, подключенных через микропроцессорный контроллер к персональному компьютеру, смотровое окно с известными линейными размерами ячейки, камеру для фотосъемки, видеокамеру. Изобретение обеспечивает точное определение параметров образующейся пены и снижение трудоёмкости. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для проведения лабораторных испытаний поверхностно-активных веществ, характеризующееся тем, что содержит барботажную емкость, состоящую из внутренней и внешней колонн с образованием между ними водяной рубашки, выполненную из прозрачного химически и термически стойкого стекла и снабженную пористым диском в нижней части, газовый коллектор, подключенный через обратный клапан к системе подачи, контроля и регулирования расхода инертного газа, термостат, водяной насос с контуром водопровода для подачи теплоносителя в водяную рубашку, расположенные вокруг барботажной емкости светодиодную ленту с изменяемой цветовой температурой и яркостью, подключенную к электросети, блок оптических датчиков, подключенных через микропроцессорный контроллер к персональному компьютеру, смотровое окно с известными линейными размерами ячейки, камеру для фотосъемки, видеокамеру.

2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что система подачи, контроля и регулирования расхода инертного газа включает в себя присоединенные к газовому коллектору ротаметр, регулятор расхода газа, подключенные через газовый редуктор к источнику инертного газа.

3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что термостат включен в систему подачи, контроля и регулирования расхода инертного газа, связан с водяным насосом и контуром водопровода и представляет собой теплообменник, в корпусе которого размещены трубка-змеевик, трубчатый электронагреватель и терморегулятор, подключенный к коммутационному блоку управления термостатом.

4. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что камера для фотосъемки имеет кратность увеличения в 10-1000 раз.

5. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что контур водопровода и газовый коллектор покрыты теплоизолирующим слоем.

6. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что в нижней части барботажной емкости размещен термометр.