CN117723585A - 一种高温高压可视化流体pvt性质测定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及流体的性质测定领域，公开了一种高温高压可视化流体PVT性质测定装置，包括筒体，筒体内部具有容腔，容腔的容积可变；筒体上嵌设有透视窗，透视窗为多个，多个透视窗沿着筒体的轴向排布，且沿着筒体的轴向依次交替分布在筒体相对的两侧，相邻且分设在筒体相对两侧的两个透视窗中，上方的透视窗的底部与下方的透视窗的顶部相重叠。本发明中每个小尺寸的透视窗具有较高的稳定性，那么也就具有较稳定的密封性。本发明中的测定装置可适应高温高压的环境，那么就可以在不缩小容腔容积的情况下对待测流体进行高温高压PVT性质测定。其次，由于本发明中上下相邻的两个透视窗存在视野重合区，因此可实现全域观测，无视野盲区。
Description
技术领域
本发明涉及流体的性质测定领域，特别涉及一种高温高压可视化流体PVT性质测定装置。
背景技术
在油气开发和化工领域，流体PVT（压力-体积-温度）性质测定是一个复杂而关键的过程。流体PVT性质的可视化测定对于深入理解和优化复杂的油气流动过程和化工反应过程至关重要。通过可视化流体PVT性质测试，研究人员直观地观察和理解流体的行为与相互作用，包括相变、气泡形成、混合和分离等。此外，可视化测定使得研究人员能够实时监测流体的性质和行为，这对于需要快速做出决策的应用非常重要，例如实时优化调整油气开采策略或化学工艺流程。流体PVT性质的可视化测定不仅推动了油气田开发和化工领域的技术进步，同时对环境保护和可持续发展目标产生深远而积极的影响。
可视化流体PVT性质测定装置包括筒体和嵌设在筒体内的透视窗。通常情况下仅在筒体的一侧设置透视窗。为了实现全域观测，通常会选用大尺寸的透视窗，以确保能够观测到装置内全部的流体。但是，大尺寸透视窗与筒体连接的稳定性差，从而导致密封性差，无法适应高压等极端环境，因此现有的可视化流体PVT性质测定装置无法广泛应用于油气田开发和化工领域。
如果缩小透视窗的尺寸，那么同时需要缩小筒体的尺寸，如此会导致筒体内的空间减小，从而无法实现大容量流体测定。
因此，如何在不改变筒体容积的前提下，提高透视窗与筒体连接的稳定性和密封性，以实现极端环境下对流体PVT的测定，从而使得可视化流体PVT测定装置更广泛地应用于油气田开发和化工领域，是本领域技术人员亟待解决的关键性问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于在不改变筒体容积的前提下，提高透视窗与筒体连接的稳定性和密封性，以实现极端环境下对流体PVT性质的测定，从而使得流体PVT性质测定装置更广泛地应用于油气田开发和化工领域。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高温高压可视化流体PVT性质测定装置，包括筒体，所述筒体内部具有用于盛放待测流体的容腔，所述容腔沿着所述筒体的轴向延伸，且所述容腔的容积可变；所述筒体上嵌设有透视窗，透过所述透视窗可观测到所述容腔中的待测流体；所述透视窗为多个，多个所述透视窗沿着所述筒体的轴向排布，且沿着所述筒体的轴向依次交替分布在所述筒体相对的两侧，相邻且分设在所述筒体相对两侧的两个所述透视窗中，上方的所述透视窗的底部与下方的所述透视窗的顶部相重叠。
优选地，所述筒体上嵌设有与所述透视窗适配的窗框，在所述窗框靠近所述容腔的一侧，自所述窗框的框壁向所述窗框的水平中心延伸形成挡块，所述透视窗靠近所述容腔的一侧抵接在所述挡块上，所述透视窗远离所述容腔的一侧的上部和下部分别与两个压板抵接，两个所述压板分设在所述窗框的上方和下方，且所述压板连接在所述筒体上。
优选地，所述透视窗与所述窗框的框壁之间设置有密封石墨环和金属压环，所述密封石墨环和所述金属压环沿着所述窗框的水平中心线排布，所述密封石墨环的一侧抵接在所述挡块上，另一侧与所述金属压环抵接，所述金属压环远离所述密封石墨环的一侧与两个所述压板抵接。
优选地，所述透视窗靠近所述容腔的窗面构成所述容腔的一部分腔壁。
优选地，所述筒体的材质为310S不锈钢；所述透视窗的材质为蓝宝石玻璃；所述压板的材质为2205双相不锈钢。
优选地，所述透视窗为三个，分别为第一透视窗、第二透视窗以及第三透视窗，所述第一透视窗、所述第二透视窗以及所述第三透视窗沿着所述筒体的轴向依次交替分布在所述筒体相对的两侧，所述第一透视窗的底部与所述第二透视窗的顶部相重叠，所述第二透视窗的底部与所述第三透视窗的顶部相重叠。
优选地，所述容腔的下部适配有柱塞，所述柱塞伸出在所述筒体外的一端与驱动装置连接。
优选地，所述压板的表面设置有加热保温套。
优选地，所述筒体的底部端口封堵有柱塞密封压帽，在所述柱塞密封压帽的上表面设置有柱塞组合密封圈，所述柱塞组合密封圈与所述筒体适配，所述柱塞依次贯穿所述柱塞密封压帽和所述柱塞组合密封圈。
优选地，所述筒体的下方连接有套筒，所述套筒将所述柱塞密封压帽包容在内，且所述套筒的上端套设在所述筒体的下端，所述柱塞位于所述筒体外的部分位于所述套筒内，所述柱塞远离所述筒体的一端通过柱塞连接套与所述驱动装置的输出轴连接，所述柱塞连接套与所述套筒的内腔适配。
优选地，所述驱动装置包括：
第一伺服电机；
主动齿轮，所述第一伺服电机的电机轴与所述主动齿轮的齿轮轴连接；
从动齿轮，所述从动齿轮与所述主动齿轮相啮合；
滚珠丝杆螺母，所述滚珠丝杆螺母与所述从动齿轮同轴连接；
滚珠丝杆，所述滚珠丝杆螺纹配合于所述滚珠丝杆螺母内，所述滚珠丝杆的上端通过所述柱塞连接套与所述柱塞连接。
优选地，所述滚珠丝杆螺母包括筒部和帽部，所述帽部相对于所述筒部沿着径向向外凸出，所述从动齿轮的内环的上部环壁上设置有连接环块，所述连接环块向上伸出所述从动齿轮，所述连接环块的内腔与所述筒部适配，所述连接环块与所述从动齿轮的内环的下部环壁围成帽腔，所述帽部适配于所述帽腔内，所述帽部与所述连接环块通过螺栓连接。
优选地，所述驱动装置还包括相互连接的齿轮室上盖和齿轮室下盖，所述齿轮室上盖和所述齿轮室下盖围成相互连通的主动齿轮室和从动齿轮室；
所述齿轮室上盖内设置有第一轴承，所述第一轴承套设在所述滚珠丝杆螺母外；
所述齿轮室下盖内设置有第二轴承，所述第二轴承位于所述滚珠丝杆螺母的下方，且套设在所述滚珠丝杆外；
所述齿轮室上盖内还设置有第三轴承，所述第三轴承位于所述主动齿轮的上方，所述第三轴承套设在所述主动齿轮的齿轮轴外；
所述齿轮室下盖内还设置有第四轴承，所述第四轴承位于所述主动齿轮的下方，所述第四轴承套设在所述主动齿轮的齿轮轴外。
优选地，所述齿轮室上盖在所述第一轴承的上方形成有连接腔，所述连接腔与所述套筒的下部适配；所述齿轮室下盖的下方连接有丝杆护套，所述丝杆向下伸出所述齿轮室下盖的部分位于所述丝杆护套内。
优选地，所述容腔的上方设置有与所述容腔连通的封堵腔，所述封堵腔包括相互连通的小径腔和大径腔，堵头的下部形成有涨大部，所述涨大部适配于所述小径腔内，所述涨大部的上方设置有石墨密封组件，所述石墨密封组件被限位于所述小径腔的腔壁与所述堵头的外周面之间；
所述大径腔内适配有堵头密封压帽，自所述堵头密封压帽的底端向下延伸形成压环，所述压环伸入所述小径腔内压紧所述石墨密封组件，所述堵头贯穿所述堵头密封压帽并向上伸出在外，所述堵头向上伸出在外的部分上套设有堵头并帽。
优选地，还包括压力传感器，所述堵头上设置有压力传感器入口，所述压力传感器的压力探针通过所述压力传感器入口伸入所述容腔内，所述压力传感器通过计算机与所述驱动装置通信连接。
优选地，还包括温度传感器，所述堵头上设置有温度传感器入口，所述温度传感器的温度探针通过所述温度传感器入口伸入所述容腔内，所述温度传感器通过计算机与所述加热保温套通信连接。
优选地，还包括旋转组件，所述旋转组件包括第二伺服电机和旋转轴，所述第二伺服电机的电机轴与旋转轴连接，所述旋转轴通过连接架与所述套筒和所述齿轮室下盖连接，且所述旋转轴沿着所述套筒的径向布置。
优选地，还包括可视化成像组件和计算机，所述可视化成像组件包括相机和相机支架，所述相机设置在所述相机支架上，所述相机正对所述透视窗，所述相机与所述计算机通信连接。
从上述技术方案可以看出：本发明中透视窗与筒体的总的连接区域与总的透视窗的面积之比大于现有技术中总的连接区域与总的透视窗的面积之比，因此本发明中每个小尺寸的透视窗具有较高的稳定性，那么也就具有较稳定的密封性。
本发明中的透视窗具有较高的稳定性和密封性，因此可适应高温高压的环境，那么就可以在不缩小容腔容积的情况下对待测流体进行高温高压PVT性质测定。其次，由于本发明中的透视窗沿着筒体的轴向交替分布在筒体相对的两侧，且上下相邻的两个透视窗存在视野重合区，因此可实现全域观测，无视野盲区。
另外，压力传感器、驱动装置、温度传感器、加热保温套、可视化成像组件、旋转组件均与计算机通信连接，均可在计算机的数据采集与控制系统中操作运行，具有操作简单、高自动化程度等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的高温高压可视化流体PVT性质测定装置的剖面图；
图2为本发明实施例所提供的高温高压可视化流体PVT性质测定装置的整体结构示意图；
图3为图2的平面图；
图4为本发明实施例所提供的250 ℃下CO2-原油最小混相压力测定结果图；
图5为本发明实施例所提供的250 ℃下N2-原油最小混相压力测定结果图；
图6为本发明实施例所提供的250 ℃下烟道气-原油最小混相压力测定结果图。
其中，各部件名称如下：
1-压力传感器、2-流体注入阀、3-温度传感器、4-堵头、5-堵头并帽、6-堵头密封压帽、7-石墨密封组件、8-筒体、901-第一压板、902-第二压板、903-第三压板、1001-第一密封石墨环、1002-第二密封石墨环、1003-第三密封石墨环、1101-第一金属压环、1102-第二金属压环、1103-第三金属压环、1201-第一透视窗、1202-第二透视窗、1203-第三透视窗、13-加热保温套、14-柱塞组合密封圈、15-柱塞密封压帽、16-套筒、17-铜导条、18-柱塞、19-柱塞连接套、20-滚珠丝杆螺母、21-滚珠丝杆、22-齿轮室上盖、23-齿轮室下盖、2401-第一轴承、2402-第二轴承、2403-第三轴承、2404-第四轴承、25-从动齿轮、26-主动齿轮、27-丝杆护套、2801-第一减速机、2802-第二减速机、2901-第一伺服电机、2902-第二伺服电机、30-旋转轴。
具体实施方式
有鉴于此，本发明的核心在于提供一种高温高压可视化流体PVT性质测定装置，在不改变筒体容积的前提下，提高透视窗与筒体连接的稳定性和密封性，以实现极端环境下对流体PVT性质的测定，从而更广泛地应用于油气田开发和化工领域。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考附图1-附图3，本发明实施例所公开的高温高压可视化流体PVT性质测定装置包括筒体8和透视窗。筒体8内部具有容腔，该容腔用于盛放待测流体。容腔沿着筒体8的轴向延伸，并且容腔的容积可变，以使容腔内的待测流体处于不同的压力环境中。透视窗嵌设在筒体8上，测试员可通过透视窗观测到容腔内的待测流体。本发明的特征之处在于，透视窗为多个，多个透视窗沿着筒体8的轴向排布，且沿着筒体8的轴向依次交替分布在筒体8相对的两侧。沿着筒体8的轴向，分设在筒体8相对两侧的相邻的两个透视窗中，上方的透视窗的底部与下方的透视窗的顶部相重叠，形成视野重合区，如此，在筒体8的轴向上形成全域观测，无视野盲区。
在现有技术中透视窗仅为一个，且尺寸较大，大尺寸的透视窗的四周边缘与筒体8连接。本发明相当于在筒体8的轴向上将尺寸较大的透视窗分割为多个尺寸较小的透视窗，每个小尺寸的透视窗的四周边缘均与筒体8连接。多个小尺寸的透视窗的连接区域之和大于大尺寸的透视窗与筒体8的连接区域。即本发明中总的连接区域与总的透视窗的面积之比大于现有技术中总的连接区域与总的透视窗的面积之比，因此本发明中每个小尺寸的透视窗具有较高的稳定性，那么也就具有较高的密封性。
本发明中的透视窗具有较高的稳定性和密封性，因此可适应高温高压的环境，那么就可以在不缩小容腔容积的情况下对待测流体进行高温高压PVT性质测定。其次，由于本发明中的透视窗沿着筒体8的轴向交替分布在筒体8相对的两侧，且相邻的两个透视窗存在视野重合区，因此可实现全域观测，无视野盲区。
筒体8上嵌设有窗框，透视窗安装在窗框内。在窗框靠近容腔的一侧，自窗框的框壁向窗框的水平中心线处延伸形成挡块，透视窗的靠近容腔的一侧，即透视窗的内侧抵接在挡板上。透视窗远离容腔的一侧的上部和下部，也即透视窗的外侧的上部和下部分别被两个压板压紧。两个压板分设在窗框的上方和下方，且两个压板通过螺栓与筒体8连接。
通过上下两个压板将透视窗压紧在挡块上的方案不仅能够确保透视窗的稳定性，还利于透视窗的拆装。另外，在筒体8的轴向上多个透视窗交替分布在筒体8相对的两侧，那么位于筒体8同一侧的相邻的两个透视窗之间具有较大块的筒体8的外壁，如此增大了相应压板与筒体8的连接面积，提高了压板与筒体8连接的牢固性。该压板的上部压紧上方的透视窗的下部，压板的下部压紧下方的透视窗的上部。
透视窗与窗框的框壁之间设置有沿着窗框的水平中心线排布的密封石墨环和金属压环。密封石墨环相对于金属压环靠近容腔。密封石墨环的内侧抵接在挡块上，外侧与金属压环抵接。金属压环远离密封石墨环的一侧，也即金属压环的外侧被两个压板压紧。该两个压板同时还压紧透视窗的上部和下部。
密封石墨环为柔性石墨环，柔性石墨环在高压下会发生膨胀，从而对筒体8和透视窗形成更紧密的密封。具体而言，密封石墨环被限定在金属压环、挡块、透视窗围成的区域内。当容腔内的压力增大后，密封石墨环会在限定的区域发生轴向以及径向的涨大，提高筒体8与透视窗的密封性。并且容腔内压力越大，密封石墨环的膨胀性越强，高压下的密封性也愈强。
在现有技术中，筒体8自身设置有内腔，该内腔内设置有用于盛放待测流体的透明腔体，因此在现有技术中测试员需要透过透视窗以及透明腔体观测内部的待测流体。而在本发明中直接在筒体8自身的容腔中盛放待测流体，筒体8的内壁以及透视窗的内侧窗面构成了容腔的腔壁。透视窗的内侧窗面为容腔的腔壁的一部分，即透视窗与待测流体直接接触。测试员可直接透过透视窗观测待测流体，从而提高了测定的准确度。
筒体8的容积为200 ml，采用310S不锈钢（奥氏体络镍不锈钢），其具有良好的耐氧化、耐腐蚀、耐酸碱和耐高温性能，可耐高温800 ℃。
透视窗的材质为蓝宝石玻璃，蓝宝石玻璃厚度为30 mm，以兼顾可视化成像和耐高压要求。
压板采用2205双相不锈钢，其具有良好的抗应力腐蚀和有机酸腐蚀能力，可长期承受300 ℃以上高温。
与现有的可视化流体PVT性质测定装置相比，本发明的测定装置具有耐超高温、超高压和耐强腐蚀性能等优点，为研究极端环境下流体PVT性质提供了技术手段。
在本发明一具体实施例中，设置了三个透视窗，分别为：第一透视窗1201、第二透视窗1202以及第三透视窗1203。第一透视窗1201、第二透视窗1202以及第三透视窗1203沿着筒体8的轴向且依次交替分布在筒体8相对的两侧。第一透视窗1201和第三透视窗1203位于筒体8的同侧，第二透视窗1202位于筒体8的另一侧。第一透视窗1201的底部与第二透视窗1202的顶部相重叠，形成视野重合区，避免在第一透视窗1201和第二透视窗1202之间出现视野盲区。第二透视窗1202的底部与第三透视窗1203的顶部相重叠，形成视野重合区，避免在第二透视窗1202和第三透视窗1203之间出现视野盲区。
第一透视窗1201通过第一密封石墨环1001和第一金属压环1101密封，第一透视窗1201的上部被第一压板901的下部压紧，第一透视窗1201的下部被第三压板903的上部压紧。第二透视窗1202通过第二密封石墨环1002和第二金属压环1102密封，第二透视窗1202的上部被第二压板902的下部压紧，第二透视窗1202的下部被第四压板的上部压紧。第三透视窗1203通过第三密封石墨环1003和第三金属压环1103密封，第三透视窗1203的上部被第三压板903的下部压紧，第三透视窗1203的下部被第五压板的上部压紧。
在现有技术中是在筒体8的内腔中设置透明腔体，透明腔体内盛放待测流体，透明腔体的底端设置有活塞。透明腔体与筒体8的内腔之间盛放有无毒透明液体，无毒透明液体用于推动活塞移动。现有技术中的结构比较复杂，并且降低了透视的准确度。在本发明中直接在筒体8的容腔内盛放待测流体，容腔内压力的变化是通过柱塞18的上下移动来控制的。具体而言，在容腔的下部适配有柱塞18，柱塞18伸出在筒体8外的一端与驱动装置连接。驱动装置驱动柱塞18上移时，容腔内的压力会逐渐增大；驱动装置驱动柱塞18下移时，容腔内的压力会逐渐减小。柱塞18直线移动过程中的位置信息可记录并反馈至计算机，由此获得筒体8内待测流体所处的容腔的大小。
柱塞18相当于容腔的可移动底端。柱塞18与筒体8之间的密封性尤为重要。本发明在筒体8的底部端口封堵了柱塞密封压帽15，柱塞密封压帽15通过螺栓连接在筒体8的底部。在柱塞密封压帽15的上表面设置了柱塞组合密封圈14，柱塞组合密封圈14适配于容腔内，柱塞18依次贯穿柱塞密封压帽15和柱塞组合密封圈14。
筒体8的下方连接有套筒16，套筒16将柱塞密封压帽15包容在内，并且套筒16的上端套设在筒体8的下端。柱塞18位于筒体8外的部分位于套筒16内，如此套筒16对柱塞18位于筒体8外的部分形成了保护。柱塞18远离筒体8的一端通过柱塞连接套19与驱动装置的输出轴连接，柱塞连接套19与套筒16的内腔适配，如此套筒16的内腔对柱塞连接套19形成了导向作用，以确保柱塞18稳定地沿着筒体8的轴向上下移动。
为了利于在套筒16的内腔中形成与柱塞连接套19适配的腔体，本发明在套筒16的内壁上设置了左右相对的铜导条17。左右相对的铜导条17形成了与柱塞连接套19适配的空腔。
为了利于容腔内的待测流体处于所需的温度环境，本发明在压板的表面设置了加热保温套13，加热保温套13散发的热量通过压板以及筒体8传递至容腔。
在现有技术中，由于大尺寸的透视窗表面不能设置加热保温套13，因此大尺寸的透视窗所在的区域均未设置加热保温套13，这样会导致容腔中与大尺寸的透视窗对应的区域热量偏低，不利于测定的准确性。在本发明中，小尺寸的透视窗在筒体8相对的两侧间隔排布，在每侧，相邻的两个透视窗之间设置有压板，压板的表面设置有加热保温套13，也即沿着筒体8的轴向间隔设置有多个加热保温套13，如此能够确保容腔内部温度的均匀性，利于提高测定的准确度。
驱动装置包括：第一伺服电机2901、第一减速机2801、主动齿轮26、从动齿轮25、滚珠丝杆螺母20、滚珠丝杆21。
第一伺服电机2901驱动第一减速机2801转动，第一减速机2801驱动主动齿轮26转动，主动齿轮26以啮合的方式驱动从动齿轮25转动。滚珠丝杆螺母20与从动齿轮25同轴连接，因此从动齿轮25会带动滚珠丝杆螺母20转动。滚珠丝杆21螺纹配合于滚珠丝杆螺母20内，在滚珠丝杆螺母20转动时，滚珠丝杆21会上下移动。滚珠丝杆21通过柱塞连接套19与柱塞18连接，因此滚珠丝杆21上下移动时会带动柱塞18上下移动，以使容腔的容积发生变化，进而使待测流体处于不同的压力环境中。滚珠丝杆螺母20与滚珠丝杆21的配合能够为柱塞18提供高精度的上下移动，那么就能够实现容腔压力的高精度调节。
第一伺服电机2901为80型伺服电机。第一减速机2801为行星减速机，具有体积小、重量轻、承载能力高、使用寿命长、运转平稳、性能安全等优点。
滚珠丝杆螺母20包括筒部和帽部。帽部相对于筒部沿着筒部的径向向外凸出。在从动齿轮25的内环内，内环的上部环壁连接有连接环块，连接环块的内腔与筒部适配，连接环块向上伸出在从动齿轮25外。连接环块与从动齿轮25的内环的下部环壁围成帽腔，滚珠丝杆螺母20的帽部适配于帽腔中，并且帽部与连接环块通过轴向布置的螺栓连接。帽部与帽腔的配合利于从动齿轮25与滚珠丝杆螺母20的装配，同时提高了从动齿轮25与滚珠丝杆螺母20连接的稳定性。
在本发明中主动齿轮26为小齿轮，从动齿轮25为大齿轮，如此进一步实现了减速，提高了柱塞18上下移动的精度。
本发明中的测定装置还包括齿轮室上盖22和齿轮室下盖23。齿轮室上盖22和齿轮室下盖23围成相互连通的主动齿轮室和从动齿轮室。齿轮室上盖22内设置有第一轴承2401，第一轴承2401套设在滚珠丝杆螺母20外。齿轮室下盖23内设置有第二轴承2402，第二轴承2402位于滚珠丝杆螺母20的下方，且套设在滚珠丝杆21外。齿轮室上盖22内还设置有第三轴承2403，第三轴承2403位于主动齿轮26的上方，第三轴承2403套设在主动齿轮26的齿轮轴外。齿轮室下盖23内还设置有第四轴承2404，第四轴承2404位于主动齿轮26的下方，第四轴承2404套设在主动齿轮26的齿轮轴外。四个轴承能够平衡主动齿轮26和从动齿轮25咬合时的扭矩。齿轮室上盖22和齿轮室下盖23用于固定和支撑主动齿轮26、从动齿轮25、滚珠丝杆螺母20、第一轴承2401、第二轴承2402、第三轴承2403以及第四轴承2404。
齿轮室上盖22在第一轴承2401的上方形成有连接腔，该连接腔与套筒16的下部适配。套筒16的下部伸入连接腔内，并与齿轮室上盖22连接。具体地，套筒16可以通过焊接的方式与齿轮室上盖22连接。齿轮室下盖23的下方连接有丝杆护套27，滚珠丝杆21向下伸出齿轮室下盖23的部分位于丝杆护套27内。丝杆护套27用于保护滚珠丝杆21的向下伸出在齿轮室下盖23外的部分，避免灰尘、硬质物质进入滚珠丝杆21，同时保障操作人员安全。另外，第一轴承2401到第四轴承2404均可以优选为锥轴承。
容腔的上方设置有封堵腔，封堵腔包括相互连通的小径腔和大径腔。大径腔位于小径腔的上方。堵头4的下部形成有涨大部，该涨大部适配于小径腔内。在小径腔内，位于涨大部的上方设置有石墨密封组件7，石墨密封组件7环绕堵头4设置。大径腔内设置有堵头密封压帽6。自堵头密封压帽6的底端向下延伸形成压环，压环的直径小于堵头密封压帽6的直径。压环伸入小径腔内压紧石墨密封组件7。堵头密封压帽6的中心设置有穿腔，堵头4通过堵头密封压帽6的穿腔向上伸出在筒体8 外。堵头4向上伸出在筒体8外的部分上套设有堵头并帽5。
石墨密封组件7被限位在涨大部、堵头4、小径腔的腔壁、压环围成的空间内。当容腔内的压力增大后，石墨密封组件7会发生膨胀，从而在堵头4的径向和轴向形成更紧实的密封。
在堵头4的顶部设置有压力传感器1，堵头4上设置有供压力传感器1的压力探针通过的压力传感器入口，压力探针通过压力传感器入口伸入到容腔内，实时原位检测待测流体压力。压力传感器1通过计算机与驱动装置通信连接。驱动装置用于驱动柱塞18上下移动。压力传感器1将检测到的待测流体的压力反馈至计算机，计算机实时调整第一伺服电机2901的输出功率，经主动齿轮26、从动齿轮25、滚珠丝杆螺母20、滚珠丝杆21传递后驱动柱塞18上下移动，从而达到实时精确控压的目的。
当压力传感器1检测到容腔内的压力达到预设压力后，计算机控制驱动装置停止，柱塞18停止上移。在预设压力下，待测流体发生气液相的变化，待测流体相位的变化会导致容腔内压力发生变化。如果压力传感器1检测到容腔内的压力偏离了预设压力，那么计算机会通过控制驱动装置使柱塞18上下移动，从而将容腔内的压力再次调节至预设压力。如此，容腔可保持恒压，从而提高了测定的准确度。
本发明中的压力传感器1的测量精度为0.01 MPa，可实现最高控压60 MPa，且能长期安全运行。
本发明在堵头4的顶端还设置了温度传感器3。堵头4上设置有供温度传感器3的温度探针穿入的温度传感器入口。温度探针通过温度传感器入口伸入到容腔内，实时原位检测待测流体温度。加热保温套13包裹于压板表面，对容腔内的待测流体加热。温度传感器3通过计算机与加热保温套13通信连接。当需要将容腔内的温度提升至预设温度时，计算机实时调整加热保温套13的输出功率，以使加热保温套13升温，以此达到实时精确控温的目的。当温度传感器3检测到容腔内的温度提升至预设温度时，计算机控制加热保温套13停止升温。
温度传感器3的测量精度为0.1 ℃，可实现最高控温300 ℃，且能长期安全运行。
堵头4的顶端还设置有流体注入阀2，在流体注入阀2打开时，可通过堵头4的内部流体通道向容腔内注入待测流体。
本发明中的测定装置还包括旋转组件，旋转组件包括第二伺服电机2902、第二减速机2802、旋转轴30。第二伺服电机2902与第二减速机2802相连接，第二伺服电机2902用于将电信号转化为电机轴上的角位移和角速度输出，为旋转轴30提供动力。第二减速机2802用于降低第二伺服电机2902输出轴的转速。旋转轴30通过连接架与套筒16和齿轮室下盖23连接，通过旋转轴30带动筒体8以及套筒16整体旋转，以实现筒体8内的待测流体充分混匀以及寻找最佳视野的目的。旋转轴30通过上下两个连接点与装置连接，确保了装置旋转时的稳定性。
第二伺服电机2902为80型伺服电机。第二减速机2802为行星减速机，具有体积小、重量轻、承载能力高、使用寿命长、运转平稳、性能安全等优点。
本发明中的测定装置还包括可视化成像组件和计算机。可视化成像组件包括相机和相机支架，相机设置在相机支架上，相机自带光源。相机正对透视窗，相机与计算机通信连接。相机用于对透视窗内的待测流体实时成像，并且将拍摄的图像信息传输至计算机进行储存和图像处理。
压力传感器1、驱动装置、温度传感器3、加热保温套13、可视化成像组件、旋转组件均与计算机通信连接，均可在计算机的数据采集与控制系统中操作运行，具有操作简单、高自动化程度等优点。
在本发明一具体实施例中，测定装置的长度为410 mm、宽度为131 mm、壁厚为164mm，具有体积小、质量轻、模块化组装等优点。
本发明还公开了一种可视化测试气-液两相流体泡点/露点压力的方法，基于上述中的高温高压可视化流体PVT性质测定装置，包括：
S1：打开流体注入阀2，利用真空泵通过流体注入阀2对筒体8的容腔抽真空，关闭流体注入阀2；
S2：打开流体注入阀2，利用恒压恒速泵将待测流体注入容腔内，然后关闭流体注入阀2；
S3：通过加热保温套13使容腔升温，以将容腔内的温度升至预设温度，同时通过旋转组件旋转筒体8，以使待测流体充分混合；
S4：调节可视化成像组件，以使相机可清晰且完整地通过透视窗拍摄待测流体的气液界面，同时将拍摄的图像信息实时传输至计算机；
S5：通过驱动装置控制柱塞18上移，以使容腔内的压力上升，以将待测流体加压至单相液体；
S6：通过控制柱塞18下移以降低容腔内的压力，当容腔内出现第一个气泡时，对应的压力即为待流体的泡点压力；
S7：继续降低容腔内的压力，当容腔内的待测流体出现最后一个液滴时，对应的压力即为待测流体的泡点压力；
S8：通过加热保温套13改变容腔内温度，重复步骤S5~S7，获得另一实验温度下待测流体的泡点压力和露点压力。
实验结束后，降低容腔内压力至常压，打开流体注入阀2，释放原油以及释放筒体8内气体，注入甲苯清洗筒体8内原油，而后注入丙酮清洗整个筒体8内的甲苯，并通入氮气将筒体8内丙酮清洗干净。
本发明还公开了一种可视化测试气-原油最小混相压力的方法，基于上述中的高温高压可视化流体PVT性质测定装置，包括：
T1：打开流体注入阀2，利用真空泵通过流体注入阀2对筒体8的容腔抽真空，关闭流体注入阀2；
T2：打开流体注入阀2，利用恒压恒速泵分别将原油、气样注入容腔内，然后关闭流体注入阀2；
T3：通过加热保温套13将待测流体加热至预设温度，同时通过旋转组件旋转筒体8，以使待测流体充分混合均匀；
T4：调节可视化成像组件，使相机可清晰且完整通过透视窗拍摄待测流体的气液界面，同时将图像信息实时传输至计算机；
T5：通过驱动装置控制柱塞18上移以逐渐增大容腔内的压力，同时通过可视化成像组件观察并记录油气界面变化情况，待油气界面消失时，对应的压力即为预设温度下对应的最小混相压力；
T6：通过加热保温套13改变容腔内的温度，重复步骤T5，获得另一实验温度下的油气最小混相压力。
实验结束后，降低筒体8内压力至常压，打开流体注入阀2，释放筒体8内原油及气体，注入甲苯清洗筒体8内原油，而后注入丙酮清洗整个筒体8内的甲苯，并通入氮气将筒体8内丙酮清洗干净。
应用可视化测试气-原油最小混相压力的方法的第一实施例：
在温度为250 ℃下测量了CO2-原油最小混相压力，测定结果如图4。由图4可以看到，随着压力的逐级升高，其油气界面逐渐变薄、变模糊。当压力增加至15.5 MPa时，油气界面完全模糊并出现混相带，CO2与油样发生混相，此时根据上述界面消失依据认为15.5 MPa为250 ℃下CO2与油样的最小混相压力。
应用可视化测试气-原油最小混相压力的方法的第二实施例：
在温度为250 ℃下测量了N2-原油最小混相压力，测定结果如图5。由图5可以看到，随着压力逐渐升高，油气界面逐渐模糊，当系统压力升高至38.1MPa时油气界面基本消失，则认为在250 ℃下N2与油样最小混相压力为38.1 MPa。
应用可视化测试气-原油最小混相压力的方法的第三实施例：
在温度为250 ℃下测量了烟道气-原油最小混相压力，测定结果如图6。由图6可以看到，随着压力逐渐升高，油气界面逐渐模糊，当系统压力升高至31.4 MPa时油气界面基本消失，则认为在250 ℃下烟道气与油样最小混相压力为31.4 MPa。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、 “水平”、“中心”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (19)
1.一种高温高压可视化流体PVT性质测定装置，包括筒体，所述筒体内部具有用于盛放待测流体的容腔，所述容腔沿着所述筒体的轴向延伸，且所述容腔的容积可变；所述筒体上嵌设有透视窗，透过所述透视窗可观测到所述容腔中的待测流体；其特征在于，所述透视窗为多个，多个所述透视窗沿着所述筒体的轴向排布，且沿着所述筒体的轴向依次交替分布在所述筒体相对的两侧，相邻且分设在所述筒体相对两侧的两个所述透视窗中，上方的所述透视窗的底部与下方的所述透视窗的顶部相重叠。
2.根据权利要求1所述的高温高压可视化流体PVT性质测定装置，其特征在于，所述筒体上嵌设有与所述透视窗适配的窗框，在所述窗框靠近所述容腔的一侧，自所述窗框的框壁向所述窗框的水平中心线延伸形成挡块，所述透视窗靠近所述容腔的一侧抵接在所述挡块上，所述透视窗远离所述容腔的一侧的上部和下部分别与两个压板抵接，两个所述压板分设在所述窗框的上方和下方，且所述压板连接在所述筒体上。
3.根据权利要求2所述的高温高压可视化流体PVT性质测定装置，其特征在于，所述透视窗与所述窗框的框壁之间设置有密封石墨环和金属压环，所述密封石墨环和所述金属压环沿着所述窗框的水平中心线排布，所述密封石墨环的一侧抵接在所述挡块上，另一侧与所述金属压环抵接，所述金属压环远离所述密封石墨环的一侧与两个所述压板抵接。
4.根据权利要求1所述的高温高压可视化流体PVT性质测定装置，其特征在于，所述透视窗靠近所述容腔的窗面构成所述容腔的一部分腔壁。
5.根据权利要求2所述的高温高压可视化流体PVT性质测定装置，其特征在于，所述筒体的材质为310S不锈钢；所述透视窗的材质为蓝宝石玻璃；所述压板的材质为2205双相不锈钢。
6.根据权利要求1所述的高温高压可视化流体PVT性质测定装置，其特征在于，所述透视窗为三个，分别为第一透视窗、第二透视窗以及第三透视窗，所述第一透视窗、所述第二透视窗以及所述第三透视窗沿着所述筒体的轴向依次交替分布在所述筒体相对的两侧，所述第一透视窗的底部与所述第二透视窗的顶部相重叠，所述第二透视窗的底部与所述第三透视窗的顶部相重叠。
7.根据权利要求2所述的高温高压可视化流体PVT性质测定装置，其特征在于，所述容腔的下部适配有柱塞，所述柱塞伸出在所述筒体外的一端与驱动装置连接。
8.根据权利要求7所述的高温高压可视化流体PVT性质测定装置，其特征在于，所述压板的表面设置有加热保温套。
9.根据权利要求7所述的高温高压可视化流体PVT性质测定装置，其特征在于，所述筒体的底部端口封堵有柱塞密封压帽，在所述柱塞密封压帽的上表面设置有柱塞组合密封圈，所述柱塞组合密封圈与所述筒体适配，所述柱塞依次贯穿所述柱塞密封压帽和所述柱塞组合密封圈。
10.根据权利要求9所述的高温高压可视化流体PVT性质测定装置，其特征在于，所述筒体的下方连接有套筒，所述套筒将所述柱塞密封压帽包容在内，且所述套筒的上端套设在所述筒体的下端，所述柱塞位于所述筒体外的部分位于所述套筒内，所述柱塞远离所述筒体的一端通过柱塞连接套与所述驱动装置的输出轴连接，所述柱塞连接套与所述套筒的内腔适配。
11.根据权利要求10所述的高温高压可视化流体PVT性质测定装置，其特征在于，所述驱动装置包括：
第一伺服电机；
主动齿轮，所述第一伺服电机的电机轴与所述主动齿轮的齿轮轴连接；
从动齿轮，所述从动齿轮与所述主动齿轮相啮合；
滚珠丝杆螺母，所述滚珠丝杆螺母与所述从动齿轮同轴连接；
滚珠丝杆，所述滚珠丝杆螺纹配合于所述滚珠丝杆螺母内，所述滚珠丝杆的上端通过所述柱塞连接套与所述柱塞连接。
12.根据权利要求11所述的高温高压可视化流体PVT性质测定装置，其特征在于，所述滚珠丝杆螺母包括筒部和帽部，所述帽部相对于所述筒部沿着径向向外凸出，所述从动齿轮的内环的上部环壁上设置有连接环块，所述连接环块向上伸出所述从动齿轮，所述连接环块的内腔与所述筒部适配，所述连接环块与所述从动齿轮的内环的下部环壁围成帽腔，所述帽部适配于所述帽腔内，所述帽部与所述连接环块通过螺栓连接。
13.根据权利要求11所述的高温高压可视化流体PVT性质测定装置，其特征在于，所述驱动装置还包括相互连接的齿轮室上盖和齿轮室下盖，所述齿轮室上盖和所述齿轮室下盖围成相互连通的主动齿轮室和从动齿轮室；
所述齿轮室上盖内设置有第一轴承，所述第一轴承套设在所述滚珠丝杆螺母外；
所述齿轮室下盖内设置有第二轴承，所述第二轴承位于所述滚珠丝杆螺母的下方，且套设在所述滚珠丝杆外；
所述齿轮室上盖内还设置有第三轴承，所述第三轴承位于所述主动齿轮的上方，所述第三轴承套设在所述主动齿轮的齿轮轴外；
所述齿轮室下盖内还设置有第四轴承，所述第四轴承位于所述主动齿轮的下方，所述第四轴承套设在所述主动齿轮的齿轮轴外。
14.根据权利要求13所述的高温高压可视化流体PVT性质测定装置，其特征在于，所述齿轮室上盖在所述第一轴承的上方形成有连接腔，所述连接腔与所述套筒的下部适配；所述齿轮室下盖的下方连接有丝杆护套，所述丝杆向下伸出所述齿轮室下盖的部分位于所述丝杆护套内。
15.根据权利要求8所述的高温高压可视化流体PVT性质测定装置，其特征在于，所述容腔的上方设置有与所述容腔连通的封堵腔，所述封堵腔包括相互连通的小径腔和大径腔，堵头的下部形成有涨大部，所述涨大部适配于所述小径腔内，所述涨大部的上方设置有石墨密封组件，所述石墨密封组件被限位于所述小径腔的腔壁与所述堵头的外周面之间；
所述大径腔内适配有堵头密封压帽，自所述堵头密封压帽的底端向下延伸形成压环，所述压环伸入所述小径腔内压紧所述石墨密封组件，所述堵头贯穿所述堵头密封压帽并向上伸出在外，所述堵头向上伸出在外的部分上套设有堵头并帽。
16.根据权利要求15所述的高温高压可视化流体PVT性质测定装置，其特征在于，还包括压力传感器，所述堵头上设置有压力传感器入口，所述压力传感器的压力探针通过所述压力传感器入口伸入所述容腔内，所述压力传感器通过计算机与所述驱动装置通信连接。
17.根据权利要求15所述的高温高压可视化流体PVT性质测定装置，其特征在于，还包括温度传感器，所述堵头上设置有温度传感器入口，所述温度传感器的温度探针通过所述温度传感器入口伸入所述容腔内，所述温度传感器通过计算机与所述加热保温套通信连接。
18.根据权利要求13所述的高温高压可视化流体PVT性质测定装置，其特征在于，还包括旋转组件，所述旋转组件包括第二伺服电机和旋转轴，所述第二伺服电机的电机轴与旋转轴连接，所述旋转轴通过连接架与所述套筒和所述齿轮室下盖连接，且所述旋转轴沿着所述套筒的径向布置。
19.根据权利要求1所述的高温高压可视化流体PVT性质测定装置，其特征在于，还包括可视化成像组件和计算机，所述可视化成像组件包括相机和相机支架，所述相机设置在所述相机支架上，所述相机正对所述透视窗，所述相机与所述计算机通信连接。
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