Устройство для исследования термодинамических свойств Советский патент 1981 года по МПК G01N25/02 

химического свойства системы. Необходимость градуировки регистратора при каждой замене типа пористой среды и типа исследуемого газа делает процесс измерений трудоемким и длительным, что особенно существенно при исследовании многокомпонентных газожидкостных систем.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для исследования термодинамических свойств газожидкостиых систем в пористых средах, содержащее термостатируемый рабочий сосуд для исследуемой пористой среды, снабженный датчиками давления и температуры и регистратор, обеспечивающий определение с необходимой в технике точностью физико-химических свойств системы или ее количество-лишь в свободном объеме вне пористой среды. Выпуская из рабочего сосуда газожидкостную систему и измеряя при этом изменение физико-химических свойств выпущенной системы или ее количества в зависимости от давления в рабочем сосуде при постоянной температуре, и анализируя затем полученную зависимость, определяют термодинамические свойства системы в пористой среде 2.

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности определять термодинамические свойства газожидкостных систем в пористых средах путем прямых измерений в пористой среде. По этой причине, вследствие того, что одинаковым изменениям физико-химических свойств выпущенной системы и ее количества могут отвечать разные физические процессы, часто бывает трудно или вообще невозможно отличить явление адсорбции от явления объемной конденсации. Это приводит к тому, что такие важнейшие параметры, как плотность системы, ее фазовое состояние, температура и давление начала фазовых переходов, соотношение между объемами газовой адсорбированной и жидкой фаз определяются с большой погрешностью (50 f 20,0%). Кроме того, на определение затрачивается много времени.

Цель изобретения - повышение точности, особенно при изучении многокомпонентных систем и cokpaщeииe времени исследований.

Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве для исследования термодинамичеСГких свойств газожидкостных систем в пористых , содержащем термостатируемый рабопий сосуд для исследуемой порис той среды, снабженный датчиками давления и температуры и регистрато последний выполнен в виде установленных над рабочим сосудом и соединенным с ним вибрационных плотномеров, изолированных от внешней среды, один из которых, предназначенный / для заполнения исследуемой пористой средой, выполнен съемным, второй установлен вертикально, а третий горизонтально и снабжен поперечными перегородками, в которых в верхней части выполнены отверстия. На фиг. 1 изображена схема устройства для исследования термодинамических свойств газожидкостных систем в пористых средах; на фиг. 2 изображены кривые, показывающие изменение плотности среды в плотномерах при изотермическом снижении давления газа газовой шапки Федоровского месторождения от 30 МПа до 20 МПа при помещении в рабочем сосуде и вибраторе первого плотномера Керна этого месторождения.

Устройство для исследования термодинамических свойств газожидкостных систем в пористых средах содержит термостатируемый рабочий сосуд i с исследуекой пористой средой 2, датчик 3 давления, датчик 4 температуры, измеряющие эти параметры в рабочем сосуде, к рабочему сосуду соединительнымк трубками подключены плотномер, состоящий из вибратора 5, электромагнитных катушек 6 и 7, электронного усилителя 8 и измерителя 9 периода, второй и третий плотномеры, состоящие соответственно из вибраторов 10 и 11, электромагнитных катушек 12 - 15, усилителей 16 и 17 и регистратора 9 периода. Катушки б, 12 и 14 подключены к входу соответствующих усилителей, а катушки 7, 13 и 15 - к выходу усилителей, откуда электромагнитные колебания подаются на вход измерителя 9. Вибраторы выполнены в форме пустотелых цилиндров, свободный конец которых замкнут по отношению к внешней среде, а второй, являкяцийся узлом колебаний, сообщается с рабочим сосудс 4. 3ta ФОРМА вибраторов является наиболее простой, но не единственной. Продольная ось вибратора 10 второго плотномера, совпадает с нарравлением тяжести. Это обеспечивает/ наряду с колебаниями виб1 атора 10 второго плотномера, стекание появляющейся жидкой фазы к узлу . колебаний, так как узел колебаний находится ниже остальной части вибратора. Вибратор 11 третьего плотномера помещен в плоскости, которая перпендикулярна направлению силы тяжести, т.е. расположен горизонтально. Это обеспечивает сохранение

появляющейся жидкой фазы в вибраторе 11 и предотвращает, в значительной степени,перекатывание жидкой фазы в процессе измерений. Материал, из которого изготовлены вибраторы, обладает хорошими упругими свойствами и малым коэффициентом старения (например инчнвар). Вибратор первого плотномера заполнен исследуемой пористой средой. Для этого вибратор сделан съемным. Он крепится болтами 18 и 19 к фланцу 20 и уплотняется резиновым кольцом 21, обеспечивающи герметичность. Вибраторы 10 и 11 второго и третьего плотномеров жестко (на сварке или на припое) крепятся к фланцгш 22 и 23. Фланцы 20, 22 и 23 в свою очередь жестко прикреплены к достаточно массивным основаниям (весом lOf20 кг). В вибраторе 11 третьего плотномера помещены поперечные перегородки 24, разделяющие вибратор 11 на секции, которые сообщаются между собой только через отверстия, сделанные специально для этого в верхней части перегородок. Перегородки изготовлены из дюралюминия в форме дисков толщиной 0,1 мм. Количество перегородок выбирают, учитывая то, что чем больше их будет, тем меньше будет погрешность, вносимая флуктуациями жидкости, но что в тоже время будет меньше ri полезный объем вибратора 11 Рабочий сосуд 1 и вибраторы 5, 10 и 11, подключенные через вентиль 25 к резервуару газа 26, помещены в термостат 27,

Таким образом, система из трех вибрационных плотномера является однт новым регистратором позволяющим быстро и точно определять термодинамические св.ойства газожидкостных систем в пористых средах.

Пример. Определение давления начала ретроградной конденсации и количества сконденсированного и адсорбированного вещества при исследовании изотермического изменения давления газа газовой шапки Федоровского месторождения в керне этого же месторождения при .

На фиг. 2 представлены зависи,мости изменения средней плотности вещества от давления во всех плотномерах. Исследование произведено на газе, в котором содержится 98% объемных метана, а 2% объема составляют этан, пропан и др. Эксперимент производился следующим образом. Вибраторы первого, второго и третьего плотномеров, изготовленные из тонкостенных (толщиной 0,lfO,3 мм), : пругих (из ининвгша или,что хуже из нержавеющейстали), трубок, устанавливаются в соответствии с фиг. 1 и в соответствии с описанием устройства.. Длина трубок составляет 20-40 см., а внутренний диаметр - 6-10 («м. На свободный конец трубок снаружи приклеены напротив катушек полоски из магнитомягкого материала для того чтобы схема возбуждения и приема

колебаний вибраторов, состоящая из электромагнитных катушек и электронных усилителей, могла функционировать. Вибраторы колеблются в режиме автоколебаний на частотах, близких к их резонансным. Частота колебаний 5 составляет 20т80 Гц и регистрировалась измерителем частоты и периодаё На таких частотах удобнее регистрировать период колебаний. В вибратор лервого плотномера и в рабочий со суд (объемом 500тбОО см) помещается одинаковая пористая среда (керн Федоровского нефтегазоконденсатного месторождения). Рабочий сосуд и плотномер вакуумируется. Вентилем

5 из резервуара в-систему напускается газ до давления, заведомо большего давления начала ретроградной конденсации. Для газа Федоровского месторождения зто давление составляет

0. 30 МПа. Термостатом создается необходимая температура (+40°С}. После этих операций устройство готово к эксперименту. Газ порциями вентилем выпускается в резервуар. После выпуска каждой порции регистрируется давление и среднее изменение плотности среды в каждом плотномере. Результаты наносятся на график в координатах: давление-изменение

Q плотности. На фиг. 2 кривая 28 показывает изменение плотности чисто газовой фазы, измеренное вторым плотномером. Это обусловлено тем,что вибратор этого плотномера установлен

C вертикально, .причем узел колебаний, расположен внизу. В узле колебаний вибратор по частоте колебаний нечувствителен к изменению плотности среды в этом месте вибратора. Кривую 28 можно выразить в виде функции

.-.P(4toi.a,.

где p jn/jvAott плотность газовой

фазы.

5 Кривая 29 изображает cy mapHoe . изменение средней плотности . в вибраторе первого плотномера, с пористой средой, и включает в себя . изменение за счет изменения плот0 мости газовой фазы, г изменение за счет ещсорбции газа, к изменение за счет объемной конденса PioS. адсорбционная и конденсированные фазы распределеJ |ны равномерно по плотномеру, вследствие однородности пористой среды,

fopatja. и Pr,uc«44. записать в виде .

Р«.)

О

о . .Об-ион.

(3) Г1оБ. «

Vi

где VDoiKc масса адсорбированного газа;rrUpft H - масса-жидкой фазы, появляющейся при объемной конденсации; Vj - разность между объемом свободного вибратора пер вого плотномера и объемо скелета пористой среды, помещаемой в этот вибрат До начала объемной конденсации среднее изменение плотности в перво плотномере можно записать в виде IleM-., Pjcp .diai. Vj После начала объемной конденсации суммарное изменение плотности в первом плотномере можно выразить в виде PlcpPliaj ajbi (5) Кривая 30 изображает суммарное изменевие плотности ,„ за счет изменения плотности газовой фазы Рш. счет появления жид кой фазы при объемной конденсации в вибраторе третьего плотномера,Та как перегородки, поставленные в этом плотномере препятствуют проте канию жидкости при колебаниях вибратора из одного конца вибратора в другой, то р„|,о5. можно записать в виде - HuLQS-jyza., РП) об.конд,- .j где КОНА жидкой фазы, появившейся в вибрат ре третьего плотноме при объемной конленс ции ; Viti - объем этого вибратор Суммарное среднее изменение пло ности, , в вибраторе третьего плотномера можно выразить в виде ш.об.усон Р|исрРшга2,. Отсутствие перегородок в вибраторе третьего плотномера привело бы К перекатыванию жидкой фазы, что явились бы причиной существенной неопределенности при определении массы жидкой фазы из-за того, что чувствительность вибратора различна в его разных местах. Так как давление и компонентный состав газа одинаков во всех плотномерах,.Pi2a5.(cij.-p4-(i2aj.(ia ,. По той же самой причине «и :.Ц1й5.а Для того, чтобы найти массу адсорбированного вещества в исследованном диапазоне давлений, из криво 29 вычитают кривую 30. Это же самое можно записать в виде функции, если вычесть из выражения (5) выражение Picp:Pacp:--v - (в) Отсюда находим (Picp:Pa,cp)Vi (9, То есть, находя разницу между изменениями средней плотности в первом и третьем плотномерах, при одинаковом давлении и умножая эту разницу -на объем, занимаемый газовой фазой в первом плотномере, находим массу адсорбированного вещества при данном давлении. Для того, чтобы найти массу жидкой фазы при объемной конденсации, как видноиз выражений (1) и (7), находим разницу между изменениями плотности во втором и третьем плотномерах при одинаковом давлении и умножаем эту разницу на объем вибратора третьего плотномера. Или же это можно выразить в .виде , . .конд(р.Т.ср:Рпср.) ° Первое давление, при котором выражение (9) будет больше нуля, будет давлением начала ретроградной или обычной конденсации. Это был пример определения давления начала ретроградной конденсации в пористой среде. Данное устройство можно использовать и для определения давления насыщения нефтей в пористой среде. Третий плотномер в этом случае может отсутствовать, а начало кипения определяют по перегибу на кривой давление-изменение плотности в первом плотномере. Кроме того, устройством можно определять критические температуру и давление, и получать изотермы сорбции газов и жидкостей, и данные по растворимости газов (в этом случае в первый плотномер помещают растворитель). Устройство позволяет исследовать термодинамические свойства газожидкостных систем без влияния параметров излучения на исследуемую систему. Оно обладает большими функциональными возможностями и большей точностью/ так как позволяет отделить условия, при которых происходит процесс адсорбции от условий, при которых происходит процесс конденсации и тем самым увеличить точность определения давления и температуры начала фазовых переходов и количества адсорбированной и конденсированной фаз, а также критических параметров. Помимо этого при исследовании этим устройством уменьшаются . ошибки, обусловленные колебаниями внешних парс1метров, так как измерения во всех плотномерах производятся

практически в один и тот же момент времени. Данное устройство позволяе сократить время исследований, так как по сравнению с известным в нем нет необходимости делать градуировку датчиков при смене исследуемой системы и так как процесс обработки данных упрощается из-за того, что данные получают прямо в виде плотноти. Помимо этого вибрационные плотномеры - это приборы с цифровым |или электрическим выходом, что позволяет автоматизировать процесс исследований, сделать его непрерывным, а не дискретным, что также повышает точность исследований.

Формула изобретения

Устройство для исследовани4 термодинамических свойств газожидкостных систем в пбристых средах, содержащее термостатируемый рабочий сосуд для исследуемой пористой среды, iснабженный датчиками давления и температуры, и регистратор, о т л ичающееся тем, что, с цель повышения точности и сокращения времени исследования, регистратор, выполнен в виде установленных над рабочим сосудом и соединенных с ним вибрационных плотномеров, изолированных от внешней среды, один из которых, предназначенный для запол нения исследуемой пористой средой выполнен съемньм, второй устаяовлеи вертикально, а третий - горизонтально и сиабжен поперечными перегородкс1ми, в которых в верхней части выполнены отверстия.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Болотов А.Д., Белинский В.А. Исследование фазового перехода жидкость-газ газожидкостных систем в пористой среде акустическим методом. Изв. ВУЗов, Нефть и газ , 1974, 5, с. 67-71.

2.Бузинов С.Н., Пешкин М.А.

О фазовых переходах пропана в пористой среде.- Теология нефти и газа, 1976, 2, с. 65-68 (прототип) .

SS о оД8Рр°§|9 хогсп,о о-о-о:,:о1оoOo°froOOcP OOoOOOO o 5 o o 00-0-o -no Й о о-У ЛИ Ж О О

°„оГо о оХо-о;о-о

Iflll.l