CN102749937A - 流体释放定量控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种高压流体释放定量控制装置，所述流体释放定量控制装置包括一压力倍增器，该压力倍增器底部进口连接有控压管路，压力倍增器上部进口通过一气动阀与流体进口管线连接，压力倍增器上部出口与流体出口管线连接；所述控压管路包括一氮气瓶，该氮气瓶出口串连有第一电磁阀和第二电磁阀，两个电磁阀之间连接一控压管线，该控压管线连接于压力倍增器底部进口；该控压管线中设有压力传感器；所述第一电磁阀、第二电磁阀和压力传感器电连接于一电脑。本发明可实现高精度、动态、自动化控制高压流体的释放过程，为高压容器和管路提供更加精准、隔离完全、自动、安全、价格低廉的释压控制装置。

Description

流体释放定量控制装置

技术领域

本发明是关于一种石油地质、矿产领域的实验装置，尤其涉及一种高压流体释放定量控制装置。

背景技术

高压容器和管道，特别是内含具有高温、高腐蚀性、高毒性的流体，如何安全的、精确定量的智能化控制其流体的释放过程，是工业界高压容器应用及管路控制的难题之一。在地质科学研究方面，需要模拟逼近地质条件下的成矿成藏及流体流动的过程，高压流体释放的定量控制决定了实验结果的科学性。如在石油地质方面，储层成岩作用、生烃、排烃、油气运移模拟装置，通过对高压流体释放的定量控制，才能再现地下流体缓慢渗流的过程。

从目前国内外的文献来看，低压流体控制装置很多，但控制50兆帕以上的装置主要有三类，手动阀、气动/电磁阀、回压阀。手动阀是最传统的控压装置，它是通过人工扭动阀针，控制阀针与阀体孔道的联通性达到控压的效果；优点是直接操作、人为控制精度；缺点是人工控制危险性大。气动/电磁阀以低压气体或电磁力作为驱动力，使得阀针打开或关闭，并且该动作可以完全由电路或气路控制，安全性高；如果与电脑程序连接，可以定时操作；缺点是无法按需定量控制释放量，一次释放的流体量完全由容器体积或管路压力及阀针的最短行程时间决定。回压阀利用的是压力平衡的原理，一般要与控压泵联合使用；关键技术是连有阀针的金属膜片、调压腔、控压泵或管路，控压管路与被控管路存在压差驱动金属磨片移动，带动阀针启闭；该装置可以通过连接计算机，通过程序控制控压泵的压力大小来实现高压流体释放的动态控制，控压精度大于3MPa；缺点是精度不够高，而且在流体含固体杂质时控制精度不稳定；还需要一台价格较高的高精度控压泵，成本较高。

目前石油地质实验模拟装置也是用以上三种装置。在中国石化石油勘探开发研究院研制的地层孔隙热压生烃模拟装置(专利号CN101520962A)中，通过手动阀来释放因生烃增压产生的额外流体压力。由于生烃模拟实验通常要连续几天，需要实验人员每不到半小时就要释放压力一次，十分耗人。中国石油勘探开发研究院研制的储层成岩模拟装置(专利申请号201110425045.X)，在模拟半封闭系统成岩反应环境时，通过气动阀的开关来释放压力排出流体，但由于一次排液压力降低5～20MPa，造成反复的补充压力和排液，无法真正模拟地质条件下的流体渗流过程。中国石油化工股份公司胜利油田分公司地质科学研究院发明的固体-流体耦合压控生排烃模拟实验装置(专利申请号201110004746.6)中，通过内设有活塞的高压缓冲器和流体压力控制泵来控制釜内压力和流体的排放。该装置的缺点是需要与价值十几万的压力控制泵联合；并且不能隔离容器内外的流体，造成排出流体因热对流再次回流反应，这与地质事实不符。中国石油勘探开发研究院发明的半开放体系岩石加热模拟装置(专利申请号201110138667.4)虽然通过回压阀解决了容器内外流体的隔离问题，但仍需要与价格昂贵压力控制泵联合使用，属于用高压控制高压的技术，且回压阀3～5MPa的最高控制精度仍未达到模拟地质条件下的渗流情形。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种流体释放定量控制装置，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种流体释放定量控制装置，基于压力倍增思路和低压气路的自动化控制，实现高精度、动态、自动化控制高压流体的释放过程，为高压容器和管路提供更加精准、隔离完全、自动、安全、价格低廉的释压控制装置。

本发明的目的是这样实现的，一种流体释放定量控制装置，所述流体释放定量控制装置包括一压力倍增器，该压力倍增器底部进口连接有控压管路，压力倍增器上部进口通过一气动阀与流体进口管线连接，压力倍增器上部出口与流体出口管线连接；所述控压管路包括一氮气瓶，该氮气瓶出口串连有第一电磁阀和第二电磁阀，两个电磁阀之间连接一控压管线，该控压管线连接于压力倍增器底部进口；该控压管线中设有压力传感器；所述第一电磁阀、第二电磁阀和压力传感器电连接于一电脑；所述流体为高压流体。

在本发明的一较佳实施方式中，所述高压流体的压力为10-200MPa。

在本发明的一较佳实施方式中，所述压力倍增器由下部活塞缸和上部控制阀组成；所述下部活塞缸包括一圆筒缸体，圆筒缸体内设有上小下大的阶梯形活塞，大活塞滑设于圆筒缸体内，小活塞伸出圆筒缸体顶部，圆筒缸体底部设有与控压管路导通的底部进口；所述上部控制阀包括有阀体和阀盖，阀体中设有上下贯穿的通孔，所述阀盖设于阀体顶部，阀盖下方设有一段凸柱，该凸柱密封设于通孔上端；所述凸柱轴向中心位置设有第一穿孔，第一穿孔一侧设有第二穿孔；所述小活塞顶部设有一阀针，该阀针由阀体底部密封插设在通孔，所述阀针与第一穿孔轴向相对，阀针顶部封堵于第一穿孔；所述上部控制阀与下部活塞缸由支架固定连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一穿孔末端为压力倍增器上部出口，所述第二穿孔末端为压力倍增器上部进口。

在本发明的一较佳实施方式中，所述压力倍增器上部进口与所述气动阀由一个三通的两通口连接；压力倍增器上部出口通过一个开关三通阀的第一开口和第二开口与流体出口管线连接；所述三通的另一通口与开关三通阀的第三开口连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述开关三通阀由阀体和阀针构成；所述阀体中设有贯通的十字交叉孔道，所述纵向孔道的孔径大于横向孔道的孔径；所述纵向孔道两端分别为第一开口和第二开口；所述横向孔道一端为第三开口，所述阀针由横向孔道另一端插入并螺旋设置于该横向孔道中。

由上所述，本发明的高压流体释放定量控制装置，可以很好地控制高压反应釜内的流体压力及产物的排放，在充分隔离釜体内外流体的基础上，既可以做到高压反应釜内恒压，又可以按照预定的方案实现不同时间、不同排放压力的动态控制；压力控制精度小于2MPa；从而为模拟地质成岩、生排烃过程提供了模拟岩石孔隙介质渗流的释放定量控制装置。本发明实现了高精度、动态、自动化控制高压流体的释放过程，也为高压容器和管路提供了更加精准、隔离完全、自动、安全、价格低廉的释压控制装置。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明流体释放定量控制装置的结构示意图。

图2：为本发明中压力倍增器结构示意图。

图3：为本发明中压力倍增器上部控制阀结构示意图。

图4：为本发明中开关三通阀结构示意图。

图5：为本发明实施例与现有气动阀控压应用效果对比图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提出一种流体释放定量控制装置100，所述流体为高压流体；所述流体释放定量控制装置100包括一压力倍增器1，该压力倍增器1底部进口A连接有控压管路2，压力倍增器1上部进口B通过一气动阀3与高压流体进口管线4连接，用以控制高温高压流体，减少被控流体受外设的影响程度；压力倍增器1上部出口C与高压流体出口管线5连接；所述控压管路2包括一氮气瓶21，该氮气瓶21出口串连有第一电磁阀22和第二电磁阀23，两个电磁阀22、23之间连接一控压管线24，该控压管线24连接于压力倍增器1底部进口A；该控压管线24中设有压力传感器25；所述第一电磁阀22、第二电磁阀23和压力传感器25电连接于一电脑26；如图2、图3所示，在本实施方式中，所述压力倍增器1由下部活塞缸11和上部控制阀12组成；所述下部活塞缸11包括一圆筒缸体111，圆筒缸体111内设有上小下大(直径不同)的阶梯形活塞112，大活塞1121滑设于圆筒缸体111内，小活塞1122伸出圆筒缸体111顶部，圆筒缸体111底部设有与控压管路2导通的底部进口A；所述上部控制阀12包括有阀体121和阀盖122，阀体121中设有上下贯穿的通孔1211，所述阀盖122设于阀体121顶部，阀盖122下方设有一段凸柱1221，该凸柱1221密封设于通孔1211上端；所述凸柱1221轴向中心位置设有第一穿孔1222，第一穿孔1222一侧设有第二穿孔1223；所述第一穿孔1222末端为压力倍增器1上部出口C，所述第二穿孔1223末端为压力倍增器1上部进口B；所述小活塞1122顶部设有一阀针123，该阀针123由阀体121底部密封插设在通孔1211中，所述阀针123与第一穿孔1222轴向相对，阀针123顶部封堵于第一穿孔1222；所述上部控制阀12与下部活塞缸11由支架13固定连接。

在本实施方式中，所述高压流体释放定量控制装置100用于石油地质生排烃热模拟实验研究中，本高压流体释放定量控制装置100中的高压流体进口管线4与生排烃热模拟实验装置的反应釜(图中未示出)出口连接。高压流体释放定量控制过程如下：首先确定压力倍增器1阀针封堵实验流体的氮气压力值；根据力学传动关系，在受力相同的条件下截面积与压力(物理学成为压强)成反比，换算并在电脑程序上输入排烃控压氮气压力值，由程序控制第一电磁阀22和第二电磁阀23开启和关闭，以对压力倍增器1下部大活塞1121加载压力，使压力倍增器1的阀针123封堵第一穿孔1222；然后在电脑上输入实验允许的排烃压力值，以此控制气动阀3的开启条件(输入排烃压力值，点确定；电脑读取气动阀3前方加装的压力传感器(图中未示出)测的实时压力值，达到排烃压力设定值时，电脑向气动阀3的气源控制器发生充气指令，气动阀3打开，500ms后关闭)；开始实验；当生烃达到设定排烃压力值时，气动阀3瞬间开启，高温高压流体由上部进口B进入压力倍增器1，高压流体推动压力倍增器的阀针123向下移动，开启第一穿孔1222，微量流体由压力倍增器1上部出口C释放，流体压力降低，压力倍增器的阀针123关闭，前端气动阀3关闭；以此反复。在化工工艺、石油地质行业中，液体或其他流体压力在0.1-1.6MPa为低压，1.6-10MPa为中压，10-100MPa成为高压，100MPa以上为超高压，这些已被行业内认可；本实施方式中所述高压流体的压力范围为10-200MPa。

由上所述，本发明的高压流体释放定量控制装置，可以很好地控制高压反应釜内的流体压力及产物的排放，在充分隔离釜体内外流体的基础上，既可以做到高压反应釜内恒压，又可以按照预定的方案实现不同时间、不同排放压力的动态控制；压力控制精度小于2MPa；从而为模拟地质成岩、生排烃过程提供了模拟岩石孔隙介质渗流的释放定量控制装置。本发明实现了高精度、动态、自动化控制高压流体的释放过程，也为高压容器和管路提供了更加精准、隔离完全、自动、安全、价格低廉的释压控制装置。

在本实施方式中，通过电脑26的程序和压力传感器25的读数来控制电磁阀23的开和22的关，以此来降低压力倍增器1的下端压力；通过电脑26的程序和压力传感器25的读数来控制电磁阀23的关和22的开，以此来提供压力倍增器1的下端压力，从而使压力倍增器1定量控制流体的压力；所述氮气瓶21为压力倍增器1提供关阀的动力。工作时，一定压力的氮气注入压力倍增器1的底部进口A，通过不同截面积的大活塞1121、小活塞1122与阀针123的压力变换，达到定量封堵压力倍增器1的上部进口B的高压流体的目的。阀针顶123顶住阀盖122的第一穿孔1222，压力倍增器1的上部进口B与阀针腔体相通。当上部进口B的流体压力大于阀针123设定的开启压力时，阀针123下推，高压流体从压力倍增器1上部出口C经过高压流体出口管线5排出，反之则关闭。

如图2、图3所示，所述压力倍增器1的上部控制阀12与下部活塞缸11是由三根固定螺杆连接固定的；大活塞1121外壁设有两道橡胶密封环，由此与圆筒缸体111密封；所述凸柱1221外壁设有三道密封环，用于与通孔1211上端密封；阀针123上设有两道密封环，用于与通孔1211密封滑动。

进一步，如图1所示，在本实施方式中，所述压力倍增器1上部进口B与所述气动阀3由一个三通6的两通口61、62连接；压力倍增器1上部出口C通过一个开关三通阀7的第一开口71和第二开口72与流体出口管线5连接；所述三通6的另一通口63与开关三通阀7的第三开口73连接。所述三通就是有三个接口的连接装置，其中流体是相互连通的，为统一的压力系统；所述开关三通阀是指带有开关阀的三通，可以根据需要关闭其中一个接口，使流体从一个接口进，一个接口出；也可打开开关，实现三通的功能。

如图4所示，在本实施方式中，所述开关三通阀7由阀体74和阀针75构成；所述阀体74中设有贯通的十字交叉孔道，所述纵向孔道741的孔径大于横向孔道742的孔径；所述纵向孔道741两端分别为第一开口71和第二开口72；所述横向孔道742一端为第三开口73，所述阀针75由横向孔道742另一端插入并螺旋设置于该横向孔道742中，阀针75上设有密封环。在高压流体释放定量控制装置100应用中，当控制阀针75将横向孔道742关闭后，高压流体将经过压力倍增器1的上部进口B和上部出口C，以及开关三通阀7的纵向孔道741而被定量控制排出(由于纵向孔道741的孔径大于横向孔道742的孔径，阀针75在关闭横向孔道742时，不会堵塞纵向孔道741)；当控制阀针75将横向孔道742开启，使横向孔道742与纵向孔道741导通，可以允许管路进行抽真空；在实验时，如果定量释放的高压流体有洁净度要求，那么，在实验之前对高压流体管路进行抽真空是十分必要的(例如：生排烃热模拟实验)；如果对定量释放的高压流体没有洁净度要求，也可以省略抽真空的步骤及其相关结构。

如图5所示，为相同加热温度条件下设定釜内压力为31±2MPa的控制排烃效果对比结果。随着生烃的反应，釜体内压力会逐渐升高，应用本发明高压流体释放定量控制装置，其控压测试点99％以上都落在30-33MPa区间，与设定控压核心值仅差1MPa；而应用现有气动阀控压，排烃后的测试点压力从几个兆帕到二十几个兆帕都有，偏离了设定压力范围十几个兆帕。因此，本发明控压精度可以达到1MPa。

与现有回压阀-控压泵联动控压装置对比，本发明控压精度小于2MPa，而后者的控压精度一般在3～8MPa；回压阀所需外设昂贵，而压力倍增器低廉；压力倍增器在控制少量高压流体时(如：生排烃热模拟系统)具有明显的控压精度优势。

与活塞式回压泵控压装置对比，本发明分割了被控压力装置内外的流体，防止化学实验的二次回流反应，后者则不能。

此外，本发明的高压流体释放定量控制装置还具有以下优点：

1.本发明通过压力倍增器、气动阀、电磁阀及廉价的氮气瓶，实现了用低压流体、低价装置精确控制高压流体，使被控压力容器或管路的流体压力精确稳定在设定值，精度达1MPa左右。

2.本发明应用于成岩、生排烃等地质过程模拟实验，可以很好地实现地质岩石孔隙内流体渗流过程的模拟，大大提高了实验研究的科学性。

3.本发明通过计算机对压力的设定，可以实现对流体释放的自动、远距离控制，并可以实现随时间加压的控制，从而节省了人力，降低了操作危险性。

4.本发明可以控制800℃以内、压力200MPa以内的高温高压的气体或液体，并具有一定的耐腐蚀性。

本发明适用于工业界各类高温高压容器稳压、高温高压管路控压以及地层高压条件下化学反应及物理过程的模拟实验仪器。装置的智能化、密闭性和耐腐蚀性能允许所控流体是腐蚀性、高毒性和高危性。如在地质科学实验领域，储层成岩模拟、生排烃热模拟、页岩油气吸附等仪器系统上加装该装置，就可以实现模拟地层中或酸、或碱、或盐、或高温流体压力的平稳、定量、自动控制。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种流体释放定量控制装置，其特征在于：所述流体释放定量控制装置包括一压力倍增器，该压力倍增器底部进口连接有控压管路，压力倍增器上部进口通过一气动阀与流体进口管线连接，压力倍增器上部出口与流体出口管线连接；所述控压管路包括一氮气瓶，该氮气瓶出口串连有第一电磁阀和第二电磁阀，两个电磁阀之间连接一控压管线，该控压管线连接于压力倍增器底部进口；该控压管线中设有压力传感器；所述第一电磁阀、第二电磁阀和压力传感器电连接于一电脑；所述流体为高压流体。

2.如权利要求1所述的流体释放定量控制装置，其特征在于：所述高压流体的压力为10-200MPa。

3.如权利要求1所述的流体释放定量控制装置，其特征在于：所述压力倍增器由下部活塞缸和上部控制阀组成；所述下部活塞缸包括一圆筒缸体，圆筒缸体内设有上小下大的阶梯形活塞，大活塞滑设于圆筒缸体内，小活塞伸出圆筒缸体顶部，圆筒缸体底部设有与控压管路导通的底部进口；所述上部控制阀包括有阀体和阀盖，阀体中设有上下贯穿的通孔，所述阀盖设于阀体顶部，阀盖下方设有一段凸柱，该凸柱密封设于通孔上端；所述凸柱轴向中心位置设有第一穿孔，第一穿孔一侧设有第二穿孔；所述小活塞顶部设有一阀针，该阀针由阀体底部密封插设在通孔，所述阀针与第一穿孔轴向相对，阀针顶部封堵于第一穿孔；所述上部控制阀与下部活塞缸由支架固定连接。

4.如权利要求3所述的流体释放定量控制装置，其特征在于：所述第一穿孔末端为压力倍增器上部出口，所述第二穿孔末端为压力倍增器上部进口。

5.如权利要求1所述的流体释放定量控制装置，其特征在于：所述压力倍增器上部进口与所述气动阀由一个三通的两通口连接；压力倍增器上部出口通过一个开关三通阀的第一开口和第二开口与流体出口管线连接；所述三通的另一通口与开关三通阀的第三开口连接。

6.如权利要求5所述的流体释放定量控制装置，其特征在于：所述开关三通阀由阀体和阀针构成；所述阀体中设有贯通的十字交叉孔道，所述纵向孔道的孔径大于横向孔道的孔径；所述纵向孔道两端分别为第一开口和第二开口；所述横向孔道一端为第三开口，所述阀针由横向孔道另一端插入并螺旋设置于该横向孔道中。

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