CN101685058A - 高压高温粘度计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高压高温粘度计，更具体地，本发明涉及一种用于确定牛顿力学的或者非牛顿力学的、固相或者非固相流体的流动特性的库艾特粘度计，其中该流体在油井和/或气井中被用作完井流体或者工作流体。该仪器能够测量例如被加热到600℉/316℃以及被加压到例如30,000psig/207MPa的样品在各种温度、压力以及剪切速率下的特性。压力容器安装在仪器的机壳中并且包含粘度计部件的容器塞以及样品可以作为组件被去除。该布置降低了塞组件的质量，消除了运送压力容器的需要并且有助于从加压流体分离该样品。最后，该布置改善了与操作该仪器有关的可用性、方便性以及保养。
Description
技术领域
[0001]本发明一般地涉及用于在高压和高温条件下测量样品的库艾特粘度计(couette viscometer)。更具体地，本发明的粘度计被设计为改善与操作该仪器相关的可用性、方便性以及保养。
背景技术
[0002]旋转粘度计测量由已知的剪切速率产生的流体剪切应力。粘度被定义为剪切应力与剪切速率的比，通常用单位泊(Poise)表示。剪切应力与在圆柱形物体上引起的力矩成比例，该圆柱形物体浸入在由同中心的圆柱形表面围绕的流体中，该同中心的圆柱形表面以已知的速度旋转。剪切速率是转速和几何形状的函数。
[0003]一种类型的旋转粘度计是库艾特粘度计。在库艾特粘度计中，将粘度有待测量的液体填充到两个垂直共轴的圆柱体之间的空间中。内部圆柱体被停止，同时外部圆柱体使用计算机控制的步进电机以恒定速率旋转。对在内部圆柱体上导致的力矩精确地进行测量以确定剪切应力。
[0004]库艾特粘度计可以被用于确定在油井/或气井中用作完井流体或者工作流体的牛顿力学或者非牛顿力学的、固相或者非固相流体(Newtonian or non-Newtonian solid-laden or non-solid-laden fluids)的流动特性。期望在高温高压下测试这些流体。
[0005]在典型的仪器中，提供能够承受高温高压的压力容器来包含粘度计的杯子和摆锤(bob)。在进行测试后，必须将压力容器从该仪器去除以更换样品流体并清洗部件。
[0006]为了承受高温和高压，压力容器由重型材料构造，并且因此难以去除并且不方便处理和操作。因此期望提供一种用于测量高压和高温样品的粘度计，该粘度计具有方便操作和清洗的构造。
发明内容
[0007]在本发明的粘度计中，样品由压力容器和塞组件包含。由于该包含，样品可被加热并加压成油井或者气井中的模拟条件的一部分。一旦这些条件稳定，则通过已知剪切速率下的剪切应力的测量来确定样品粘度。
[0008]本发明的粘度计优选地为库艾特型并且可用于确定在油井/或气井中用作完井流体或者工作流体的牛顿力学或者非牛顿力学的、固相或者非固相流体的流动特性。该仪器能够测量加热到例如600°F以及加压到例如30,000psig的样品在各种温度、压力以及剪切速率下的特性。
[0009]样品包含在位于压力容器中的样品杯内。样品杯用于将该样品流体从加压流体分离并且便于在去除塞组件时去除该样品。
[0010]样品杯包含例如钐钴(SmCo)磁体组件的磁体组件、转子组件、热电偶套管(thermowell)以及相关的轴承和衬垫。摆锤组件由宝石轴承枢轴支撑。磁体组件耦合于相对的磁体组件，该相对的磁体组件位于压力容器的外部，例如第二钐钴磁体组件。通过用步进电机以已知的速度旋转该外部磁体组件，引起了内部磁体以及转子的运动。热电偶套管提供一种方式以便精确地测量位于摆锤组件的边界内的组件的中心线上的样品温度。
[0011]用连接在内部体积和外部体积上的高压端口使得样品杯压力均衡。因此，样品杯不需要抵抗压力并可以用轻质量材料(lowmass)构造。对样品杯的外表面进行滚花以改善可用性并改善传热。
[0012]转子组件包括外部螺旋槽，该螺旋槽被用于随着旋转转子组件而引起样品循环。循环路径包括转子组件外部的环形体积、挡板、摆锤组件外部的环形体积、位于摆锤组件的锥形顶部的端口以及围绕磁体组件的体积。用位于该摆锤组件上方的挡板来消除或者减少由螺旋槽引起的样品的角动量。
[0013]由其计算剪切应力的力矩通过感测例如线性铍铜(BeCu)弹簧的弹簧的角位移而确定，该弹簧附接于限制在样品杯和压力容器内的摆锤组件上。该弹簧的角位移用高分辨率的光学编码器测量，该光学编码器使用例如由钐钴磁体制备的磁体组件磁性地耦合到弹簧上。通过适当校准弹簧，使得角位移与力矩和剪切应力相关。为了通过减少摩擦效应来提高力矩测量的灵敏性，编码器组件中的光学码轮(optical codewheel)由蓝宝石轴承(sapphire jewel bearings)支撑。
[0014]使用加载到样品杯中的已知粘性油完成仪器校准，并以预定的剪切速率对仪器校准进行评估。由于校准油的粘度和剪切速率以及摆锤和转子尺寸均是已知的，因而可在各剪切速率下确定相关剪切应力和力矩。在各剪切速率下测量所引起的铍铜弹簧位移并将该位移按比例放大(scale)以指示剪切应力。一旦校准油被加载到该仪器中，使用该方法和合适的计算机软件，可实现自动仪器校准。
[0015]测试后，在释放压力并冷却样品后，可以将塞组件从压力容器去除。一旦去除编码器组件和高压管连接部件，则可旋转该塞组件以便脱开螺纹。例如弹性体密封件和金属密封件的高压密封部件与塞组件一起去除。一旦去除，塞组件可被传送到塞支撑支架上。提供塞支撑支架以便在去除样品杯组件和样品期间支撑该组件。一旦样品被去除，还可以作为仪器清洗以及保养操作的常规部分而对塞进行进一步的拆卸。
[0016]由于样品杯压力均衡，因而样品杯和粘度计部件可以由质量减小的材料构造。压力容器保持安装在仪器机壳中。包含粘度计部件和样品的样品杯作为组件被去除。该布置消除了运送压力容器的需要并有助于将样品从加压流体中分离出来。因此，本发明的粘度计提供改善的可用性、方便性以及易保养性。
附图说明
[0017]图1提供了高压高温粘度计的示例图。
[0018]图2提供了塞和容器组件的侧视图。
[0019]图3A提供了图2中的塞和容器组件的截面视图。
[0020]图3B提供了如图3A中所示的塞和容器组件的放大截面视图。
[0021]图4提供了塞和容器组件的分解视图。
[0022]图5提供了样品杯被去除的塞组件的俯视图。
[0023]图6提供了如图5中所示的塞组件的截面视图。
[0024]图7提供了支撑在工作台夹具中的塞组件的视图。
具体实施方式
[0025]在详细地解释本发明之前，重要的是理解：本发明的应用并不限于本文示出的构造细节和所描述的步骤。本发明能够具有其他的实施例并且能够以各种方式来实践或者实现。应当理解的是：本文中所采用的措辞和用语是为了描述目的而不是为了限制目的。
[0026]现在参考图1-7，所显示的是用于测量高温高压样品的粘度计单元10(图1)。粘度计单元10包括用箱封闭的机壳12。该箱容纳电子装置14以及液压和气动部件16。粘度计单元10包括机壳安装的压力容器18(图1-7)，压力容器18限定接受器(receptacle)20(图3A，3B)。塞组件22容纳在压力容器18的接受器20内。塞组件22包括具有上螺纹26和下螺纹28的塞顶部24(图3A)。塞顶部24限定中心孔30(图3A，6)和与外部端口34连通的样品填充通道32(图3A，3B)。样品填充通道32与接近第二端部36的压力容器18的接受器20连通以便输送样品流体33。可以在组装之前将样品流体33放入到样品杯68中。样品填充通道32被用于注入补充的样品，从而替换进入位于挡板64上方的环形体积中的样品流体33。
[0027]在一个优选的实施例中，多个把手构件38从该塞顶部24突出。高压密封盖40(图2，3A，4，5)在样品填充通道32的第一端部34处以螺纹连接的方式容纳在塞顶部24中。塞42保持在样品填充通道32的端口34中并且由高压密封盖40保持。
[0028]帽46以螺纹连接的方式容纳在塞顶部24的上螺纹26上。帽46限定压力端口48(图5，6)。压力端口48与帽46的外部连通并且还与塞顶部24的中心孔30连通。压力端口48适于容纳压力流体49。对准环50(图3A，4)围绕塞顶部24。用对准环50来辅助帽46中的端口48的定向。
[0029]现在主要参考图4，模块组件52具有轴54、弹簧53以及向下延伸进入塞顶部24的中心孔30中的磁体55。弹簧磁体55磁性地与编码器组件128耦合。高压O形圈56围绕塞24。金属挡圈58围绕位于高压密封帽46下方的塞24。用于对准帽46的帽对准柱塞弹簧62围绕塞24。挡板组件64固定于塞顶部24的下端部。挡板组件64设有下螺纹66。
[0030]样品杯68以螺纹连接的方式容纳在挡板组件64的下螺纹66上。样品杯68限定在其底部表面上的螺纹孔70(图3A)。提供样品杯68以容纳样品流体。样品杯68具有滚花的外部以提供抓取表面从而便于轻易将样品杯68从挡板组件64拧下并改善传热。
[0031]摆锤组件72具有圆柱状外部本体74、底部表面76以及限定多个端口80的圆锥形顶部表面78。摆锤组件72限定向下延伸的圆柱状突起82(图3A，3B)。圆柱状突起82限定用于容纳模块组件52的轴54的下端部的接受器84。
[0032]转子组件90围绕摆锤组件72。转子组件90具有圆柱形本体92。圆柱形本体92在外侧表面上具有螺旋槽94。提供螺旋槽94以在旋转转子组件90时引起样品流体循环。转子组件90具有向上延伸以形成内部圆柱形突起98的底部表面96。内部圆柱形突起98支撑径向轴承124，该径向轴承124由热电偶套管106和枢轴108支撑。摆锤组件72由枢轴108轴向地支撑。热电偶套管106中的腔110提供用于中心线温度测量(图3B)的空间。提供挡板组件64以消除或者减少由螺旋槽94引起的样品流体33的角动量。O形圈102(图4)和金属挡圈104围绕位于压力容器18上方的塞24。
[0033]热电偶套管106(图3A，3B)以螺纹连接的方式容纳在样品杯68的螺纹孔70中。热电偶套管106具有向上延伸的枢轴108，该枢轴108从上端部向上延伸。热电偶套管106容纳在转子组件90的内部圆柱形突起98中。枢轴108穿过由转子组件90的内部圆柱形突起98的上端部限定的小孔。内部磁性驱动器112位于样品杯68中并围绕热电偶套管106。内部磁性驱动器112附在转子组件90的下表面上，使得转子组件90由内部磁性驱动器112驱动。
[0034]样品流体33的循环路径114包括位于转子组件90外部的环形体积116、挡板组件64以及位于摆锤组件72外部的环形体积118、位于摆锤组件72的锥形顶部表面78中的端口80以及围绕内部磁性驱动器112的体积120。样品填充通道32的第二端部36与环形体积118连通。
[0035]内磁套122位于热电偶套管106和内部磁性驱动器112之间。转子轴承124围绕枢轴108并位于转子组件90的内部圆柱形突起98中。轴承126(例如蓝宝石轴承)(图3B)容纳在摆锤组件72的向下延伸的圆柱形突起82中。轴承126与热电偶套管106的枢轴108的上表面接合。摆锤组件72由轴承126支撑，轴承126支撑在套管106的枢轴108上。
[0036]编码器组件128(图1)容纳在帽46的上表面上。
[0037]在冷却加压流体和样品以及通过液压部件16释放压力后，可以将塞组件22从压力容器18去除。
[0038]在实践中，样品流体33位于样品杯68中。样品杯68附在塞组件22上。塞组件22固定于压力容器18上，其将样品杯68定位在压力容器18的接受器20中。通过穿过液压部件16应用压力流体49对样品流体33进行加压。还可使用围绕压力容器18的外部电阻加热器对样品流体33和加压流体49进行加热。一旦获得稳定的温度和压力条件，则随后可以对样品流体33的粘度进行测量。一旦已经对样品流体33进行减压和冷却，则可以将塞组件22与附接的样品杯68一起去除。在一个优选的实施例中，可以将塞组件22定位于如图7中所示的架子中以方便去除样品杯68。
[0039]因此，本发明非常适合实现本发明的目的并获得上述的以及其自身固有那些结果和益处。尽管目前已经为该发明公开的目的而描述了优选实施例，但是许多变化和修改对于本领域的技术人员将是显而易见的。这些变化和修改包括在由权利要求限定的本发明的精神内。
Claims (19)
1.一种粘度计，包括：
仪器机壳；
压力容器，其附在所述仪器机壳上，所述压力容器限定接受器；
塞组件，其可移动地容纳在所述压力容器的所述接受器内；
样品杯，其与所述塞组件连通，以与所述塞组件一起去除；
其中所述压力容器保持附在所述仪器机壳上，并且能够去除所述塞组件和所述样品杯以更换所述样品杯中的样品。
2.根据权利要求1所述的粘度计，其特征在于，所述样品杯具有滚花的外部以便为使用者提供抓取表面并用于改善传热效率。
3.根据权利要求1所述的粘度计，其特征在于，
由所述样品杯的内部限定的内部体积；
由所述样品杯的外部和所述压力容器的内部限定的外部体积；
其中所述内部体积和所述外部体积压力均衡。
4.根据权利要求1所述的粘度计，其特征在于，所述粘度计还包括：容纳在所述样品杯内的转子组件，所述转子组件在外部表面上具有用于随着旋转所述转子组件而引起样品流体循环的螺旋槽。
5.根据权利要求1所述的粘度计，其特征在于，所述粘度计还包括：
位于所述样品杯的所述内部体积内的转子；
位于所述样品杯的所述内部体积内用于驱动所述转子的磁体。
6.一种粘度计，包括：
限定接受器的压力容器；
容纳在所述压力容器中的样品杯，所述样品杯限定内部体积；
由所述样品杯的外部和所述压力容器的内部限定的外部体积；
其中所述内部体积和所述外部体积压力均衡。
7.根据权利要求6所述的粘度计，其特征在于，所述粘度计还包括：
可去除地容纳在所述压力容器的所述接受器内的塞组件；
样品杯与所述塞组件连通以与所述塞组件一起去除。
8.根据权利要求6所述的粘度计，其特征在于，所述粘度计还包括：
容纳在所述样品杯内的转子组件，所述转子组件在外部表面上具有用于随着旋转所述转子组件而引起样品流体循环的螺旋槽。
9.根据权利要求6所述的粘度计，其特征在于，所述粘度计还包括：
位于所述样品杯的所述内部体积内的转子；
位于所述样品杯的所述内部体积内用于驱动所述转子组件的磁体。
10.一种粘度计，包括：
限定接受器的压力容器；
容纳在所述压力容器中的样品杯，所述样品杯限定内部体积；
容纳在所述样品杯内的转子组件，所述转子组件在外表面上具有用于随着旋转所述转子组件而引起样品流体循环的螺旋槽。
11.根据权利要求10所述的粘度计，其特征在于，所述粘度计还包括：
可移动地容纳在所述压力容器的所述接受器内的塞组件；
所述样品杯与所述塞组件连通以与所述塞组件一起去除。
12.根据权利要求10所述的粘度计，其特征在于，
由所述样品杯的内部限定的内部体积；
由所述样品杯的外部和所述压力容器的内部限定的外部体积；
其中所述内部体积和所述外部体积压力均衡。
13.根据权利要求10所述的粘度计，其特征在于，所述粘度计还包括：
位于所述样品杯的所述内部体积内用于驱动所述转子组件的磁体。
14.一种粘度计，包括：
限定接受器的压力容器；
容纳在所述压力容器的所述接受器中的样品杯，所述样品杯限定内部体积；
位于所述样品杯的所述内部体积内的磁体。
15.根据权利要求14所述的粘度计，其特征在于，所述粘度计还包括：
可移动地容纳在所述压力容器的所述接受器内的塞组件；
所述样品杯与所述塞组件连通以与所述塞组件一起去除。
16.根据权利要求14所述的粘度计，其特征在于，所述粘度计还包括：
位于所述样品杯内的转子组件，所述转子组件在外表面上具有用于随着旋转该转子组件而引起样品流体循环的螺旋槽，所述转子组件由所述磁体驱动。
17.根据权利要求14所述的粘度计，其特征在于，所述粘度计还包括：
由所述样品杯的所述内部限定的所述内部体积；
由所述样品杯的外部和所述压力容器的内部限定的所述外部体积；
其中所述内部体积和所述外部体积压力均衡。
18.一种操作粘度计的方法，包括：
使得样品流体位于样品杯中；
将所述样品杯附在塞组件上；
使得所述样品杯位于所述压力容器中；
对所述样品流体进行加热和加压；
测量所述样品流体的粘度；
对所述样品流体进行冷却和减压；
将所述塞组件和所述样品杯从所述压力容器去除。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：
将所述塞组件和所述样品杯定位在架子中，以便于接近所述样品杯。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20100331 |