CN100437081C - 一种自动调节压力平衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自动调节压力平衡装置，涉及测定天然气在岩石中扩散系数的实验装置，具体涉及一种自动调节气体压力平衡的装置。本发明包括计算机、放气阀、通过气体管路并联在一起的压力平衡缓冲器与微压差变送器。压力平衡缓冲器包括储液筒、介质液、S形弹性平衡片、法兰端盖、紧固螺栓。本发明实现扩散压力自动调节平衡，克服了岩样两端充气充压过程中因瞬间压力差引起的岩样瞬间压差渗透。并使多种因素引起的不可避免的岩样两端最终压力差小于20Pa，从而提高了扩散实验测定结果的真实性和准确性。本发明用于油气地质勘探实验。

Description

一种自动调节压力平衡装置

技术领域：

本发明涉及一种测定天然气在岩石中扩散系数的实验装置，具体涉及一种自动调节气体压力平衡的装置。

背景技术：

天然气在地下的扩散是一种普遍现象，人们已认识到天然气在沉积岩层中的扩散作用十分重要，需要测定气体在沉积岩中的扩散系数。测定扩散系数要在岩石样品两端造成浓度差，同时消除岩样两端的压力差，以保证测出的扩散结果是浓度扩散产生的，而不是压力差引起的渗透作用产生的。因此对实验装置有特殊要求。

在现有技术中，国外具有代表性的，报道也较完善的扩散实验测定技术是由德国的Krooss.B等人在1987年建立的，这种方法只能在常压下测定，不需要扩散压力平衡装置，实验温度最高是70℃，因此与实际的地质条件相比，是难以满足模拟实验要求的。

现有技术之一：1995年公开的中国专利ZL94224552.0“一种岩石扩散系数的测量装置”公开了一种测定岩石扩散系数的技术，见图5。图中：取样阀101、扩散室102、岩心103、气相色谱仪104、岩心夹持器105、扩散室106、恒温箱107、阀108、气路装置109、阀110。

其中气路装置109就是该测量装置的扩散压力平衡装置，主要由气瓶、真空泵、压力表、差压传感器等组成，压力平衡靠差压传感器的显示值，人工调节阀门进行压力平衡。

这种结构的装置存在如下不足之处：首先是该装置的自动化程度低，在实际操作过程中，特别是在岩样两端扩散室同时充气充压过程中，很易产生瞬间较大的压力差，尽管通过人工加以及时调整，但产生较大压力差的瞬间和人工调节过程，对某些岩样，特别是对某些不能加水饱和的泥质疏松干样必然会产生一定的瞬间压差渗透，从而影响扩散实验起始时的真实性和实验结果的准确性。其次该装置在扩散压力平衡后不可避免的压力差至少为100Pa，压力差偏高。

现有技术之二：1994年4月，石油工业出版社出版的《天然气运聚动平衡及其应用》一书中也公开了一种测定岩石扩散系数的实验装置，这种装置中的扩散压力平衡系统见图6，主要由平衡器205和206，平衡片204和207，放空阀219和221，指针式压力表224和225，以及调压器203和液体226等组成。

这种结构的压力平衡系统也存在如下不足之处：两端充气过程压力平衡靠一端平衡片弧形面的压缩，通过液体226进行力的传递，迫使另一端平衡片弧形面伸长，即一端平衡片弧面压缩增大充气体积，另一端平衡片弧面伸长减小充气体积而达到压力平衡的，但实际上这种“压力平衡”的结果，始终存在着要克服平衡片拉伸变形过程中的内力，而该“内力”就是两端的压力差，即

|P₁-P₂|＝P

P₁表示左端的充气压力，P₂表示右端的充气压力，P表示迫使平衡片变形的拉伸力。

该压力差的大小取决于平衡片的弹性力，平衡片的弧面拉伸愈大，则该压力差就愈大。两端压力平衡的最终确定是通过压力表224和225的指针显示来表现的，若二压力表的指针不在相同的刻度位置，则可通过放空阀219和221进行调节，使二压力表的指针在同一刻度线上，但这种指针显示，尽管二指针在二压力表的表面上都处在相同的刻度位置，其实际的观察误差还是很大的，而该“误差”就是两端扩散室的压力差。例如一个满刻度的压力表是4Mpa，能指示的每小格为0.02Mpa，则其观察误差至少为0.002Mpa，即2000Pa。

现有技术之三：1997年12月河海大学出版社出版的《油气运移及其聚集成藏模式》一书中也公开了另一种测定岩石扩散系数的实验装置。这种装置中的压力平衡系统见图7，主要由平衡筒体305，波纹管306和308，液体307，触点开关309和310，压力表301和302，放空电磁阀303和304等组成。这种结构的压力平衡系统和前述类似，同样存在不足之处：在两端充气过程由波纹管306和308，触点开关309和310，液体307，以及放气电磁阀303和304自动调节的两端平衡压力，其压力差最大可达7000Pa。由压力表301和302经放空电磁阀303和304调节平衡后，在相同刻度线上的指针观察值，其误差仍然偏大。

因此上述结构的压力平衡系统，在扩散实验的起始阶段，由于较大压力差的客观存在(包括调节放空阀过程瞬间较大压力差的产生)，或多或少对岩样，特别是对疏松的干样会有微量压力差渗透，从而影响了扩散实验的真实性和测定结果的准确性。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是：

避免岩石样品在两端气体加压过程中产生较大的瞬间压力差，并且使加压后的两端气体最终压差尽可能消除。

本发明的技术方案是：

一种自动调节压力平衡装置，包括计算机18、左放气阀1、右放气阀2、压力平衡缓冲器5、微压差变送器6；其中压力平衡缓冲器5与微压差变送器6通过气体管路并联在一起，并联后的气体管路一端联接左放气阀1，另一端联接右放气阀2。

微压差变送器6通过线路与计算机连接，将压差信号传递给计算机；左放气阀1和右放气阀2是自动控制的阀门，通过线路与计算机连接，计算机可以根据压差来确定控制信号，并操纵左放气阀1或右放气阀2进行打开或关闭。如果一端压力高，则控制该端的放气阀打开，放出少量气体，使压力降低，直到两边平衡。

上述并联气体管路的两端可以分别连通岩样扩散装置9的两个通气口，为岩样两端提供压力平衡的两种不同的气体。

所述的压力平衡缓冲器5包括圆筒状储液筒55、介质液54、左弹性平衡片53、右弹性平衡片56、左法兰端盖52、右法兰端盖57、左紧固螺栓51、右紧固螺栓58。横向放置的储液筒55内充满介质液54，两端分别用左弹性平衡片53、右弹性平衡片56封闭，两个法兰端盖分别将弹性平衡片压紧在储液筒内侧的台肩上。

左紧固螺栓51、右紧固螺栓58分别将法兰端盖与储液筒固定住，使介质液密封在两端弹性平衡片之间。可以是储液筒内开有内螺纹，也可以是螺栓贯穿储液筒，用螺母锁紧，或使用其他公知的固定方式。

所述的两个法兰端盖与弹性平衡片之间分别各有一个气腔室，两个气腔室分别与上述并联气体管路的两端连通；所述的并联气体管路的两端分别可以与各自气源相连通。

通常一端为氮气；另一端为被测气体，如天然气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯等，以及C1～C5组分及其混合物。

所述的左弹性平衡片53和右弹性平衡片56形状相同，均为圆形，在最外面是圆环状的夹持层，用于与法兰端盖压紧。从夹持层向里，按一定半径划分为内、外两圈，内圈为一球冠形状，向气腔室方向拱起；外圈形状如同平放的游泳圈的上半部分表面，向储存介质液的方向拱起；内圈与环形外圈之间的连接处可以互相相切，或者是一个短圆柱面分别与内外圈相切。这种形状比平板状的弹性平衡片的反弹力更小，从而使残余压力差更小。按其剖面形状可以称为S形弹性平衡片。

所述的左弹性平衡片53和右弹性平衡片56的材料是致密的透气性极小的丁基橡胶，以保证气体不会渗透到介质液中。

所述的介质液54一般是饱和盐水，即NaCl饱和水溶液。只要尽量不含溶解气体，其他溶液也可以使用。

所述的并联气体管路两端还可以分别联接左取样阀3和右取样阀4。以便对气体取样，测量其浓度。

本发明的有益效果是：

实现扩散压力自动调节平衡，克服了岩样两端充气充压过程中因瞬间压力差引起的岩样瞬间压差渗透。并使多种因素引起的不可避免的岩样两端最终压力差小于20Pa，是现有技术的1/5，从而提高了扩散实验测定结果的真实性和准确性。通过计算机控制，实现了自动化，减少了人工工作量，提高了测量精度。

附图说明：

图1是一种自动调节压力平衡装置的系统示意图。

图2是压力平衡缓冲器的结构图。

图3是S形弹性平衡片的剖视图。

图4是S形弹性平衡片的主视图。

图5是现有技术之一的示意图。

图6是现有技术之二的示意图。

图7是现有技术之三的示意图。

具体实施方式：

以下描述仅表示本发明的一种具体实施方式，只是为了进一步对本发明进行说明，而并不对本发明进行限制。

一种自动调节压力平衡装置，包括计算机18、左放气阀1、右放气阀2、压力平衡缓冲器5、微压差变送器6；其中压力平衡缓冲器5与微压差变送器6通过气体管路并联在一起，并联后的气体管路一端联接左放气阀1，另一端联接右放气阀2。

本装置气路中的各部件的承压能力不低于5Mpa，耐温性能不低于100℃。并联气体管路的两端分别连通岩样扩散装置9的两个通气口，同时连通气源钢瓶，使岩样两端气体压力平衡。实验时一端为高纯氮气，另一端为甲烷，或为多组分的烃类气。

压力平衡缓冲器5包括圆筒状储液筒55、介质液54、左弹性平衡片53和右弹性平衡片56、左法兰端盖52和右法兰端盖57、左紧固螺栓51和右紧固螺栓58。横向放置的储液筒55内充满NaCl饱和盐水介质液54，两端分别用S形左弹性平衡片53、右弹性平衡片56封闭，弹性平衡片用质地柔软且致密的低弹性丁基橡胶制成，两个法兰端盖分别将弹性平衡片压紧在储液筒内侧的台肩上。

左紧固螺栓51、右紧固螺栓58分别将法兰端盖与储液筒固定住，使两个弹性平衡片之间的密闭空腔完全充满介质液，没有气体。两个法兰端盖与弹性平衡片之间分别各有一个气腔室。

当两种不同的气体同时从压力平衡缓冲器5的左右两端进入左法兰端盖52和右法兰端盖57的内腔时，S形左弹性平衡片53和右弹性平衡片56同时受力，并经介质液54进行力的传递，使两端的气体压力保持平衡。若左端的充气压力稍大于右端的充气压力时，左端S形左弹性平衡片53的凸球弧面带动其凹环形园弧面一起右移，迫使密闭介质液54同步右移，并经介质液54进行力的传递，推动右端的S形右弹性平衡片56的凹球弧面与凸环形园弧面一起同步右移。反之亦然。

在这种S形弹性平衡片右移或左移过程中，S形弹性平衡片没有被拉伸，是靠两弧面形状的变化来调节两端充气室的体积，从而使两端的压力达到平衡。而使弧面形状变化的力是远小于使其拉伸的力。这是一个自动调节压力平衡的过程，因此在充气充压过程中自行避免了瞬间较大压力差的产生。

为进一步减小由S形左弹性平衡片53和右弹性平衡片56在右移或左移过程中，由其弧面形状变化引起的，也是不能避免的压力差，在本装置系统中还有并联的微差压变送器6。微压差变送器6通过线路与计算机连接，由计算机通过检测高精度的微差压变送器6输出的差压讯号，通过利用公知技术编制的压差控制程序，控制电磁左放气阀1和右放气阀2，再次进行自动调节压力平衡，可以解决由S形左弹性平衡片53和右弹性平衡片56在压力平衡过程中由其弧面形状变化而引起的压力差，从而迅速有效地控制了瞬间压力差的产生，并使残余压力差保持在更小的范围之内。

在实际工作时，压力平衡缓冲器5主要承担加压过程中产生的较大瞬时压力差的平衡，当产生压差时，首先由S形弹性平衡片的动作来平衡。微差压变送器、计算机和放气阀构成的微压差调节系统，主要承担压力平衡缓冲器5所不能平衡的微压差，因此微压差调节系统的反应时间应慢于压力平衡缓冲器的动作时间，以免造成微压差调节系统的振荡，这一点可以通过设定计算机程序中的有关数据来实现，用公知的常规技术即可以解决。

用于测量扩散系数的实验时，在本装置两端还分别有取样装置，如取样阀、针筒取样口，或其他公知的取样装置，以便对气体取样，测量其浓度。同时在本装置两端还分别有压力传感装置，如压力传感器、压力表等，用于测量两端气体压力。

本装置与岩样扩散装置9的两个通气口以及各自气源相联接，但岩样扩散装置是另外一种独立装置，并不是本发明的组成部分；气源属于实验用的外部设备。本发明是为岩样扩散实验提供压力平衡的一种装置，使岩样两端最小残余压力差小于20Pa。

Claims (5)

1.一种自动调节压力平衡装置，包括计算机(18)、左放气阀(1)、右放气阀(2)、压力平衡缓冲器(5)、微压差变送器(6)；其特征是：

压力平衡缓冲器(5)与微压差变送器(6)通过气体管路并联在一起，并联后的气体管路一端联接左放气阀(1)，另一端联接右放气阀(2)；微压差变送器(6)通过线路与计算机连接，将压差信号传递给计算机；

左放气阀(1)和右放气阀(2)是自动控制的阀门，通过线路与计算机连接，计算机根据压差来确定控制信号，并操纵左放气阀(1)或右放气阀(2)进行打开或关闭；

上述并联气体管路的两端用于分别连通岩样扩散装置(9)的两个通气口；

所述的压力平衡缓冲器(5)包括圆筒状储液筒(55)、介质液(54)、左弹性平衡片(53)、右弹性平衡片(56)、左法兰端盖(52)、右法兰端盖(57)、左紧固螺栓(51)、右紧固螺栓(58)，横向放置的储液筒(55)内充满介质液(54)，两端分别用左弹性平衡片(53)、右弹性平衡片(56)封闭，两个法兰端盖分别将弹性平衡片压紧在储液筒内侧的台肩上，左紧固螺栓(51)、右紧固螺栓(58)分别将法兰端盖与储液筒固定住，使介质液密封在两端弹性平衡片之间；

所述的两个法兰端盖与弹性平衡片之间分别各有一个气腔室，两个气腔室分别与上述并联气体管路的两端连通；所述的并联气体管路的两端分别与各自气源相连通。

2.根据权利要求1所述的自动调节压力平衡装置，其特征是：所述的左弹性平衡片(53)和右弹性平衡片(56)的形状相同，均为圆形，在最外面是圆环状的夹持层，从夹持层向里，按一定半径划分为内、外两圈，内圈为一球冠形状，向气腔室方向拱起；外圈形状如同平放的游泳圈的上半部分表面，向储存介质液的方向拱起。

3.根据权利要求1所述的自动调节压力平衡装置，其特征是：所述的左弹性平衡片(53)和右弹性平衡片(56)的材料是透气性小的丁基橡胶。

4.根据权利要求1所述的自动调节压力平衡装置，其特征是：所述的介质液(54)是饱和盐水。

5.根据权利要求1所述的自动调节压力平衡装置，其特征是：所述的并联气体管路两端分别联接有左取样阀(3)和右取样阀(4)。

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