Устройство для исследования термодинамических свойств

 

Союз Советских

Социалистических

Ресттубпнк

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Х АВТОРСКОМУ .СВИ ЕТЕЛЬСТВУ

< 355461 (6f ) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 2307.79 (21) 2800536/18-25 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 15.0881 Бюллетень 9 30

Дата опубликования описания 15,0881 (5!)М. Кл.

G N 25/02

Государственный комитет

СССР но делам июбретеиий и открытий (53) УДК 536.425 (088 ° 8) промышленности (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Изобретение относится к изучению физико-химических свойств, а более конкретно к лабораторной технике исследования термодинамических свойств газожидкостных систем в пористых средах, которыми, например, являются адсорбенты, катализаторы, нли коллекторы газовых и нефтяных месторождений. Такие термодинамические свойства, как давление и температура начала конденсации, критические давления и температура, соотношение между объемами жидкой и газовой фаэ являются важнейшими физико-химическими характеристиками гаэожидкостных систем. Зная эти свойства, можно получить, например, данные, необходимые для определения запасов нефти и газа и для расчета процесса разработки нефтяных и газовых месторождений. Термодинамические свойства в пористой среде отличны от аналогичных, определенных в свободном объеме, из-за адсорбционнодесорбционных процессов и капиллярной конденсации.

Известно устройство, для изучения термодинамических свойств газожидкостных систем в пористых средах, содержащее рабочий сосуд с пористой средой, датчики давления и температуры в рабочем сосуде и ультразвуковой регистратор фазовых превращений и термодинамических свойств газожидкостных систем типа излучательприемник. Термодинамические свойства систем определяют путем изменения давления гаэожидкостной системы в рабочем сосуде, регистрируя при этом соответствующее изменение пара- метров излучения, которое проходя через пористую среду, от излучателя попадает на приемник. При этом начальное фазовое состояние системы в пористой среде известно заранее. (f), Недостатком данного устройства является влияние излучения на изучаемые процессы и соответственно на20 личие нерегистрируемой погрешности измерений. Помимо этого, несмотря на хорошую точность качественного описания изменения термодинамических свойств гаэожидкостной системы с изменением давления и температуры, количественное описание термодинамических свойств систем является недостаточно точным иэ-за необходимости перевода параметров излучения в величину того или иного физико855461 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 термоб динамических свойств газожидкостных систем в пористым средах, содержащее термостатируемый рабочий сосуд для исследуемоЯ 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 воэможности определять термодинамические своЯства 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 .фаэ определяются с большой погрешностью (50 -; 20,0%). Кроме того, на определение затрачивается много времени.

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

Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве для исследования термодинамических свойств газожидкостных систем в пористых средах, содержащем термостатируемый рабочий сосуд для исследуемой пористой среды, снабженный датчихами давления и температуры и регистратор последний выполнен в виде установланных 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 устроЯства для исслецования термодинамических свойств газожидкостных систем .в пористых средах на фиг. 2 изображены кривые, показывающие изменение плотности среды в плотномерах при

1 иэотермическом снижении давления газа з газовой шапки Федоровского месторождения от 30 ИПа до 20 МПа при помещении в рабочем сосуде и вибраторе первого плотномера Керна этого месторождения.

20 устройство для исследования тер" модинамических свойств газожидкостных систем в пористых средах содержит термостатируемый рабочий сосуд

1 с исследуемой пористой средой 2, датчик 3 давления, датчик 4 температуры, измеряющие эти параметры в рабочем сосуде. К рабочему сосуду соединительными чрубками 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

6, 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 сре ц де, а второй, являющийся узлом колебаний, сообщается с рабочим сосудом. Эта форма вибраторов является . наиболЕе простой, но не единственной. Продольная ось вибратора 10

gy второго плотномера, совпадает с на:правлением силы тяжести. Это обеспечивает, наряду с колебаниями вибратора 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 горизонталь4© но. Это обеспечивает сохранение появляющейся жидкой фазы в вибраторе 11 и предотвращает, в значительной степени, перекатывание жидкой фазы в процессе измерений. Иатериал, из

4$ которого изготовлены вибраторы, об855461 ладает 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, обеспечивающим герметичность. Вибраторы 10 н 11 второго и третьего плотномеров жестко (на сварке йли на припое) крепятся к фланцам 22 и 23. Фланцы 20, 22 и 23 в свою очередь жестко прикреплены к достаточно массивным основаниям (весом 10-:20 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 иэ дюралюминия в форме дисков толщиной 0,1 мм. Количество перегородок выбирают, учитывая то, что чем больше их будет, тем меньше будет погрешность, вносимая флуктуацнямн жидкости, но что в тоже время будет меньше и полезный объем вибратора 11.

Рабочий сосуд 1 и вибраторы 5, 10 и ll подключенные через вентиль 25 м резервуару газа 26, помещены в термостат 27.

Таким образом, система нэ трех вибрационных плотномера является одним новым регистратором поэволяю щим быстро и точно определять термодинамические свойства гаэожидкостных систем в пористых средах.

Пример. Определение давления начала ретроградной конденсации и количества сконденсированного и адсорбированного вещества при исследовании иэотермического изменения давления газа газовой шапки Федоровского месторождения в керне этого же месторождения при +400C.

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 0,1-. 0,3 мм), упругих (иэ ининвала или,что хуже из нержавеющей стали), трубок, устанавливаются в соответствии с фиг. 1 и в соответствии с описанием устройства..Длина трубок составляет 20-40 см., а внутренний диаметр - 6-10 ice.

На свободный конец трубок снаружи приклеены напротив катушек полоски иэ магнитомягкого материала для тогор чтобы схема возбуждения и приема колебаний вибраторов, состоящая иэ электромагнитных катушек и электронных усилителей, могла функционировать.

Вибраторы колеблются в режиме автоколебаний на частотах, близких к их резонансным. Частота колебаний составляет 20т80 Гц и регистрировалась измерителем частоты H периода.

На таких частотах удобнее регистрировать период колебаний. В вибратор ,первого плотномера и в рабочий со суд (объемом 5001600 см ) помещается одинаковая пористая среда (керн Федоровского нефтегаэоконденсатного месторождения). Рабочий сосуд и плотномер вакуумируется. Вентилем иэ резервуара в-систему напускается газ до давления, заведомо большего давления начала ретроградной конденсации. Для газа Федоровского месторождения это давление составляет

20, 30 NtIa. Термостатом создается необходимая температура (+40ОС). После этих операций устройство готово к эксперименту. Гаэ порциями вентилем выпускается в резервуар. После вы 5 пуска каждой порции регистрируется давление и среднее изменение плотности0 среды в каждом плотномере.

Результаты наносятся на график в координатах давление-изменение плотности. На фиг. 2 кривая 28 показывает изменение плотности чисто газовой фазы, измеренное вторым плотномером. Это обусловлено тем,что вибратор этого плотномера установлен вертикально,.причем узел колебаниЯ, 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

40 (1)

Рн с р.= .Рл tag.aag. ° где 1„ - плотность газовой фазы.

45 Кривая 29 изображает суьечарное изменение средней плотности P„

40 аале vl У (3) где тiо, - масса адсорбированного газа

8554á1 щ „ — масса жидкой фазы, появляющейся при объемной конденсации;

Ч - разность между объемом свободного вибратора первого плотномера и объемом скелета пористой среды, 5 помещаемой в.этот вибратор.

До начала объемной конденсации среднее изменение плотности в первом плотномере можно записать s ниде

<о àñ (4 )

1ср. ÇÌ3.4 3

После начала объемной конденсации суммарное изменение плотности в первом плотномере можно выразить в виде сюд,о + Хдб,дщ .

91 Р -3Ф-3! —. Ч

Кривая ЗО изображает суммарное из" менение плотности P р „, эа счет изменения плотности газовой фазы

PII< g 3 фд3 и за счет появления жидкой фазы при объемной конденсации в вибраторе третьего плотномера.Так как перегородки, поставленные в этом плотномере препятствуют протеканию жидкости при колебаниях вибратора иэ одного конца вибратора в другой, то р» о5 можно записать в виде

ri oS KoHl >-„

35 где rn» „ — масса жидкой фазы, ш появившейся в вибраторе третьего плотномера при объемной конленсациир 4О

VI« - объем этого вибратора.

Суммарное среднее изменение плотности,р»»„,, в вибраторе третьего плотномера можно выразить в виде

I»

Отсутствие перегородок в вибраторе третьего плотномера привело бы к перекатыванию жидкой фазы, что явились бы причиной существенной неопределенности при определении массы жидкой фазы из-эа того, что чувствительность вибратора различна в его разных местах. Так как давление и компонентный состав газа одинаков Я во всех плотномерах, 1 03 о3=р+,,,„ !

>%3 Ч

По той же самой причине — 1й мйн4- « @.Мыл ()

Ч1 Ч;, Для того, чтобы найти массу адсорбированного вещества в исследованном диапазоне давлений, иэ кривой 65

29 вычитают кривую 30. Это же самое можно записать в виде функции, если вычесть иэ выражения (5) выражение (7)

YA

Отсюда находим

>А< (РХср. Раср) 1 (9)

То естьр находя разницу ме ду изменениями средней плотности в первом и тРетьем плотномерах, при одинаковом давлении и умножая эту разницу на объем, занимаемый газовой фазой в первом плотномере, йаходим массу адсорбированного вещества при данном давлении.

Для того, чтобы найти массу жидкой фазы при объемной конденсации, как видно из выражений (1) и (7) н аходим разницу между изменениями

I плотности во втором и третьем плотномерах прн одинаковом давлении и умножаем зту разницу на объем вибратора третьего плотномера. Или же это можно выразить в .виде (10)

«oh.êîíä=. («ср. Р»ср.)

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 воэможностями 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 фаэ, а также критических параметров. Помимо этого при исследовании этим устройством уменьшаются ошибки, обусловленные колебаниями внешних параметров, так как измерения во всех плотномерах производятся

855461 практически в один и тот же момент времени. Данное устройство позволяет сократить время исследований, так как по сравнению с известным в нем нет необходимости делать градуировку датчиков прн смене исследуемой системы и так как процесс обработки данных упрощается из-эа того, что данные получают прямо в виде плотности. Помимо этого вибрационные плотномеры - это. приборы с цифровым или электрическим выходом, что позволяет автоматизировать процесс исследованиЯ, сделать его непрерывным, а не дискретным, что также повышает точность исследований. формула изобретения

Устройство для исследовани термодинамических свойств гаэожидкостных систем в пбрнстых средах, содержащее термостатнруеьый рабочий сосуд для исследуемой пористой среды, 1снабженный датчиками давления и . температуры, и регистратор, о т л ичающее ся тем, что, сцелыо повьиаения точности и сокращения времени исследовання, регистратор выполнен в виде установленных над рабочим сосудом н соединенных с ним вибрационных плотномеров, изолированных от внешней среды, один иэ которых, предназначенный для эапол» нения исследуемой пористой средой, выполнен съемным, второй установлен, вертикально, а третий — горизонтально и снабжен поперечными перегородками, в которых в верхней части выполнены отверстия.

Источники информации; принятые во внимание при экспертизе

3$ 1. Болотов A.A., Белинский В.A.

Исследование фазового перехода жидкость-гаэ газожндкостиых систем в пористой среде акустическим методом. Иэв. ВУЗов, Нефть н гаэ, Щ 1974, Р 5, с. 67-71.

2. Буэинов С.Н., Пешкин М.A.

О фазовых переходах пропана в пористой среде.- Геология нефти и газа, 1976, 9 2, с. 65-68 (прототип).

855461

Я 3/л

Р нйа

Тирам 907 Подпи свое

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, K-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 6894/59 филиал ППП Патент, г. Уятород, ул. Проектная, 4

Составитель !0 Коршунов редактор К, ВоловИк ТехредЛ.Пекарь Корректор М- лароши