NO303415B1 - Anordning for utf°relse av termodynamiske mÕlinger pÕ pr°ver av stoffer som sµrlig stammer fra petroleumholdige omrÕder - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse har befatning med en anordning for gjennom-føring av termodynamiske målinger på prøver av stoffer som særlig stammer fra petroleumholdige områder og vedrører, nærmere bestemt, en kompakt anordning som lett kan transporteres til produksjonssteder og gjennomføre fullstendige, termodynamiske målinger, uten at operatører nødvendigvis må overvåke tallrike prosess-sekvenser.

Som kjent er det vanlig å foreta et studium av de termodynamiske egenskaper hos prøver som opphentes fra brønnkanaler, for utvinning av undergrunns-forekomster av fluider, f.eks. oljefluider. Et inngående kjennskap til disse termodynamiske egenskaper gjør det mulig å bedømme undergrunnsreservene, optima-lisere installeringen eller spesifisere driftsmetodene. De termodynamiske egenskaper beregnes ved bruk av komposisjonene modeller som innbefatter data som er innhentet ved analysering av prøvene. En analysemetode av "PVT"-typen til-later således å måle reaksjonen hos prøver når visse parametre for disse, såsom trykk og temperatur, varieres eksempelvis fra verdier som tilsvarer de eksisteren-de i det nivå hvorfra prøvene er hentet. Med analysemetoder av denne type er det mulig å måle viktige egenskaper, såsom boblepunktet som indikerer tilstede-værelsen av en gassfase i den testede prøve, sammentrykkbarhets-koeffisienten, viskositeten, densiteten, G.O.R. (gass-oljeforholdet), etc, slik det vil være kjent for fagkyndige.

De fleste anordninger som anvendes innen dette område, er installert i spesiallaboratorier. Prøvene fra brønnene og/eller forsøksseparatorer, som er kondisjonert i trykkflasker, må derfor sentraliseres mot disse analyseinstallasjoner, hvilket er meget uheldig når brønnene er spredt over vidstrakte soner eller ligger i geografisk stor avstand. Dessuten er disse anordninger ofte konstruert for behandling på én gang av relativt store prøvemengder, jevnført med dem som de vanlig benyttete kondisjoneringsflasker kan romme. Det er derfor vanskelig å gjennomføre flere målingssykler på de overførte prøver. Det bør bemerkes, at behandlingen i slike anordninger av relativt store prøvemengder under trykk og temperatur av slike høyder som forekommer i brønnkanalene, forutsetter spesielle sikkerhets- og overvåkingsbetingelser.

Det bør videre bemerkes at det i mange konvensjonelle laboratorieutstyr

anvendes kvikksølv for innstilling av de forsøksceller hvori prøvene innføres, for å måles under trykk. Som kjent er dette komprimeringsmiddel forbundet med ulemper grunnet tyngden, den store giftighet og høye utvidelseskoeffisient, som må tas i betraktning for korrigering av visse måleresultater.

Anordninger som er egnet for termodynamisk analyse av prøver er eksempelvis beskrevet i den publiserte FR-A-2 593 921 eller i US-patentskrift 4 530 234, 4 660 413 eller 4 602 498.

Formålet med oppfinnelsen er å komme frem til en anordning av den inn-ledningsvis omtalte art som i liten eller ingen grad er beheftet med de ovennevnte mangler og ulemper ved kjente anordninger av liknende art. Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved en anordning som angitt i de etterfølgende krav.

Anordningen ifølge oppfinnelsen gjør det mulig å gjennomføre termodynamiske studier, direkte på utvinningsstedet, på prøver av stoffer som er ekstrahert fra undergrunnen, særlig fra petroleumholdige områder.

Den gjennomsiktige vegg kan f.eks. være i form av en transparent blokk hvori det er anordnet et hulrom som danner det første kammer, og anordningen kan omfatte et optisk system som er innmontert i kammeret for å gjengi, på ut-siden av dette, et bilde av det første kammers øvre del.

Innretningen som forskyver det første og det andre stempel, omfatter motor og løsbar kopling som kan forskyve det første og det andre stempel enten i forening eller hvert for seg.

For anvendelse ved en foretrukket prosessversjon er de to kamre tilpasset for å romme stoff i begrensete mengder, eksempelvis noen kubikkcentimeter, og innretningen som forskyver det første og det andre stempel, er av mekanisk type. Det behøves derfor intet hjelpefluid, f.eks. kvikksølv, for drift av drivverket.

Anordningen kan f.eks., mellom det første og det andre kammer være utstyrt med en kapillar-grenkanal i tilknytning til isoleringsmidler og midler for trykk-måling, for gjennomføring av viskositetsmålinger på stoffet som inneholdes, i det første kammer.

Anordningen kan også omfatte en ultralyd-omrører for behandling av stoffet i det første kammer.

I én versjon omfatter anordningen en bærekonstruksjon innbefattende en øvre plate som er utstyrt med et sylindrisk hulrom som danne det andre kammer, og en nedre plate med et sylindrisk hulrom, en gjennomsiktig blokk som er innmontert mellom de to plater og som krysses av et sylindrisk hulrom som, sammen med hulrommet i den nedre plate, danner det første kammer, og skyverinnretningen for glidende bevegelse av det første og det andre stempel omfatter en første bøyle som er fastgjort til det første stempel, og en andre bøyle som er fastgjort til det andre stempel, og som begge i forening kan beveges med samme hastighet ved hjelp av to gjengete stenger som er glidbart opplagret i kanaler i hver av de to plater, hvor det i hver av platene er opplagret tannhjul på aksler for drift av de gjengete stenger, og løsbare koplingsdeler for sammenkopling av akslene med motorsystemet.

Anordningen ifølge oppfinnelsen er spesielt tilpasset for å forflyttes på det sted hvor stoffprøvene som skal analyseres, blir tatt.

Grunnet det lille volum av de to kamre er det frembragt en kompakt og lett transporterbar konstruksjon. Stoffmengdene som medgår i hvert forsøk gjør det mulig samtidig å flerdoble antallet analyse fra samme kondisjoneringsflaske og å påskynde forberedelsestrinnene, og gjøre det lettere å overholde sikkerhets-bestemmelsene.

Fordi anordningens første kammer ihvertfall delvis er gjennomsiktig og ender i et skråparti fra hvis øvre ende kanalen som står i forbindelse med det andre kammer, utgår, og på grunn av anordningens optiske innretning for avbilding av dette kammer, kan det foretas ytterst nøyaktige utskillinger av gassfasen fra stoffet som undersøkes.

Anvendelsen av en anordning med to kamre hvis volumer kan justeres nøy-aktig, gjør det mulig å foreta nøyaktig oppmålte overføringer og unngå bruken f.eks. av en membran-gassmåler som gir mindre nøyaktige resultater, særlig når de målte prøver har lite volum.

Grunnet anvendelsen av et reguleringssystem med en computer som er programmert for gjennomføring av målesekvenser, kan operatøren avlastes for en del av det arbeid som ellers ville være nødvendig under forsøkene.

Oppfinnelsen er nærmere beskrevet i det etterfølgende i tilknytning til de medfølgende tegninger, hvori: Figur 1 viser et perspektivriss av hele anordningen med det termostatregulerte ytterhus for testingscellen, det tilhørende bryterskap og kontrollsystemet.

Figur 2 viser et fremre enderiss, delvis i snitt, av testingscellen.

Figur 3 viser et fremre enderiss, delvis i snitt av testingscellens midtparti med stempel-drivverket.

Figur 4 viser et sideriss av testingscellen.

Figur 5 viser et sammentrengt koplingsdiagram for skapet i tilgrensning til det termostatregulerte ytterhus. Figur 6 viser et sammentrengt koplingsdiagram for anordningens kontroll-system. Figur 7 viser et sammentrengt koplingsdiagram for en rekke instrumenter som samvirker med måleranordningen.

Anordningen omfatter (figur 1) et termostatregulert ytterhus 1 hvori en bærekonstruksjon 2 (figur 2 - 4) er fast innmontert. I konstruksjonen inngår et vertikaltstilt, stivt element 3 hvorpå to plater 4 og 5 som er sammenkoplet gjennom gjengete tverrstenger 6, er fastgjort ovenfor hverandre. En gjennomsiktig, sylindrisk blokk 7, eksempelvis av safir, og forsynt med en aksial forsenkning 8 som strekker seg langs hele blokken, er innmontert i rommet mellom platene. Sylindriske og koaksiale hulrom 9 og 10 av samme diameter som forsenkningen 8, er anordnet i henholdsvis den øvre plate 4 og den nedre plate 5. Forsenkningen 10 i den nedre plate 5 strekker seg gjennom hele platen. Den øvre plate 4 er forsynt med en rørformet forlengelse av form som et skråmønster 11 av liknende tverrsnitt som forsenkningen 8. Den gjennomsiktige blokken 7 er plassert mellom de to plater, med munnstykket 11 innpasset i forsenkningen 8, slik at sistnevnte forløper i flukt med de to hulrom 9 og 10, og med en innmontert tetning 7A for opprettelse av en perfekt og tettsluttende forbindelse mellom forsenkningen 8 og hulrommet 10 i den nedre plate. En trang kanal 12 som utgår fra baksiden av munnstykket ved den øvre ende av forsenkningen 8 i den gjennomsiktige blokk, forbinder sistnevnte med hulrommet 9 i den øvre plate 4. Utgangspunktet for kanalen 12 er synlig for operatøren gjennom den gjennomsiktige blokk.

På motsatte sider av den gjennomsiktige blokk 7 er de to hulrom 9 og 10 lukket med spisser 13, 14 forsynt med utvendige pakninger 15, og begge krysses av en midtkanal av samme tverrsnitt som de to hulrom 9, 10. To stenger 16, 17 som er tettende og glidbart opplagret i disse to kanaler, danner et stempel i det andre kammer 9 og det første kammer 8, 10. Enden av stempelet 16 er rett. Enden av stempelet 17 har en avfasning som forløper parallelt med avfasningen på munnstykket 11.

Det såkalte første kammer avgrenses av forsenkningen 8, hulrommet 10, munnstykket 11 og det avfasete stempel 17. Det såkalte andre kammer er den del av hulrommet 9 som avgrenses av stempelet 16.

Forbindelsen mellom det første og det andre kammer gjennom kanalen 12 styres av en ventil 18.

Stengene 16, 17 som danner et stempel, er forbundet med hver sin bevegelige bøyle henholdsvis 19, 20 (figur 4) som bringes til å beveges parallelt med den felles akse for de to kamre i forhold til de faste plater 4, 5. To gjengete stenger henholdsvis 21 A, 21B og 22A, 22B er i dette øyemed forbundet med hver av de bevegelige bøyler 19, 20. De er gjensidig avhengig av de respektive bøyler i translasjon, men kan dreies fritt om seg selv. Platen 4 er forsynt med to utboringer for styring av de gjengete stenger 21 A, 21B. I platen 5 er det likeledes anordnet to identiske utboringer for de gjengete stenger 22A, 22B. Hvert stangpars dreiebevegelse bevirker lineær forskyvning av hver bøyle 19, 20 i forhold til den motsvarende plate 4, 5. Dette oppnås i hver plate ved hjelp av en drivaksel 23 eller 24 (figur 3) som forløper i et plan perpendikulært mot aksene for de gjengete stenger. Hver aksel er forbundet med en plate 4, 5, men kan dreies om seg selv. Hver aksel er forbundet med to tannhjul 23A, 23B samt 24A, 24B som befinner seg i inngrep med gjengene på de motsvarende stenger 21, 22. Utgangsendene av de to aksler 23, 24 (figur 4) er sammenkoplet med utgangsakslene i en utveks-lingsforsynt motor MR i tilknytning til en drivmotor ME (figur 6) som er innmontert i et tilstøtende skap 25 (figur 1).

Innretningen for sammenkopling av akslene med utgangsakslene fra den utvekslingsforsynte motor kan lettvint fjernes, slik at hele cellen med bærekon-struksjonen 2 lett kan uttrekkes fra ytterhuset 1. Ved betjening av en dreiespak 26 på forsiden av skapet 25 (figur 1) kan det velges mellom manuell og motorisert drift av hver av akslene 23, 24, og det kan også velges hvorvidt disse skal fungere hver for seg eller sammen, f.eks. ved at det første stempel 17 i det første kammer fremskyves samtidig med at det andre stempel 16 i det andre kammer tilbaketrekkes.

Kamrenes tverrsnitt er tilstrekkelig lite til at forsøk kan gjennomføres med stoff i små mengder, f.eks. noen kubikkcentimeter, og motorsystemet er tilpasset for å øke trykket i disse kamre til flere hundre bar ved forskyving av stengene 16, 17 som danner stemplene. De små volumer som benyttes vil dels minske sikker-hetsproblemene og dels varigheten av de forutgående oppvarmings- og omrø-ringstrinn. Anordningen ifølge oppfinnelsen er særlig egnet for anvendelse når de effektivt tilgjengelige mengder for analysering er små. Dette er ofte tilfelle, f.eks. ved prøveboring av brønner. Den eventuelt tilstedeværende jordolje er ofte redu-sert til spor i borekakset som oppbringes med boreslammet. Anordningen ifølge oppfinnelsen er likevel istand til å gjennomføre termodynamiske målinger som gjør det mulig for oljeingeniører å teste brønnens muligheter. Dette er også tilfelle ved borehull som nedføres til fast fjell. Råoljen som skal analyseres, ekstraheres ved pyrolyse fra fastfjell-borekakset. De oppnådde mengder er små. De er likevel tilstrekkelig til at anordningen ifølge oppfinnelsen kan gjennomføre målinger som kan utnyttes av geokjemikere under forsøk på å bestemme de mest lovende felter.

Stoffprøven som befinner seg under samme temperatur- og trykkforhold som de rådende i den undergrunnssone hvorfra prøven er tatt, og dette trykk kan minskes, først ved at det første stempel 17 tilbaketrekkes tilstrekkelig til at prøvens sammentrykkbarhet kan måles. Den delvise fordamping av prøven fremkalles ved ytterligere senking av trykket. Ved å åpne ventilen 18 er det mulig å overføre hele gassfasen til det andre kammer.

Forbindelse mellom de to kamre kan opprettes enten gjennom ventilen 18, som tidligere nevnt, eller ved hjelp av et langt, viklet kapillarrør 27 (figur 2) som vil tillate gjennomføring av viskositetsmålinger på væsken som er innført i anojdnin-gen, idet forbindelsen med dette kapillarrør styres av en ikke vist ventil.

På ytterhusryggen er det montert en lyskilde 28, rett overfor den transparente blokk 7, for opplysing av den øvre del av det avfasete munnstykke 11, hvor fra ekstraheringskanalen 12 utgår. I fordøren av ytterhuset 1 er det anordnet et transparent vindu 29 hvorigjennom lysstrålen fra kilden 28 vil passere etter å ha krysset den transparente blokk 7. En mattskive 30 er anordnet bak vinduet 29, for avbilding av den øvre del av munnstykket 11.

Den spesielle utforming av forsøkssonen i den øvre ende av det første kammer, safirblokken 7 og lyssystemet gjør det mulig å oppnå en meget høy grad av nøyaktighet ved samtlige prosesser som kan utføres på fluidene i det første kammer. Som tidligere nevnt, er dette særlig tilfelle når hele gassfasen av et tofasestoff under trykk skal måles med nøyaktighet i dette første kammer, for å innføres i det andre kammer.

En trykkføler 31 er innmontert i et hulrom 32 i den nedre plate 5 og forbundet med det første kammer gjennom en kanal 33. Den øvre plate er forsynt med et deksel for en temperatursonde 34.

På den nedre plate 5 kan det være fastgjort et piezoelektrisk keramikk-stykke forbundet med en ultralydgenerator 35 (figur 6) for omrøring av stoffprøven som innføres i det første kammer.

I bryterskapet 25 (figur 6) er det innmontert et kretssystem 36 for tempera-turregulering. Kretssystemet mottar temperaturdata fra en sonde ST som er anordnet i det termostatregulerte ytterhus og virker på varmeelementene 37 i dette, og tjener for automatisk begrensing av den rådende maksimumstemperatur i ytterhuset, idet en innretning 38 regulerer lyset fra lyskilden 28, og en krets 39 frembringer signalet som skal overføres til ultrafydgeneratoren 35.

Ytterhuset 1 og det tilstøtende bryterskap 25 er forbundet med et kontroll-system 40 (figur 1, 7). Systemet 40 omfatter en krets 41 som styrer drivmotoren ME, og en optisk kodemålekrets 42 av kjent type som er koplet til den utvekslingsforsynte motor MR, for sporing av bevegelsene som overføres til drivakslene 23, 24 og for omforming av disse til en indikasjon på de ledsagende volumvariasjoner i det første og det andre kammer. Systemet 40 omfatter videre en krets 43 for lagring av justeringsfaktorene fra trykkføleren 31 i overensstemmelse med den innstilte temperatur som indikeres av temperatursonden 34, og en innretning 44 for velging av justeringsfaktorene i overensstemmelse med den ønskete, innstilte temperatur, for å gjøre følerens 31 reaksjon uavhengig av nevnte temperatur. Temperatursonden 34 er forbundet med en visuell indikator 45. Forskjellige, ikke viste kontrollampe-detektorer gjør det mulig å synliggjøre tilstander og særlig slutten av bevegelsesindikasjoner. En ikke vist kontrollknapp gjør det mulig å velge en manuell driftsmåte under styring av en operatør, eller en automatisk virkemåte under styring av en computer 46 som er programmert for automatisk overvåking av visse målingssekvenser, som nærmere beskrevet i det etterføl-gende.

Det fremgår av diagrammet i figur 5 at anordningen kan sammenkoples med en gassmåler 47 som er forbundet med det andre kammer gjennom en ventil 48. Gassmengden som innføres i det andre kammer, bestemmes med denne gassmåler etter at gassen har ekspandert til atmosfæretrykk. Gassmåleren kan eksempelvis være koplet til et kromatografiapparat 49. Gjennom en ventil 50 kan det første kammer forbindes med en prøvings mikrocelle 51 av kjent type, for å måle densiteten av det studerte stoff. En liten mengde kan bringes under trykk i det første kammer ved hjelp av denne celle 51, og veies.

Overføring av en prøve under trykk til anordningens første kammer kan foretas direkte fra en transporteringsflaske 52. Prøven kan også innføres i mikro-cellen 51 i et mellomtrinn, innen overføringen til det første kammer.

Computeren 46 er tilpasset for gjennomføring av visse innhentings- og driftssekvenser. Den kan eksempelvis foreta automatisk trykkontroll under over-føring av en ekspanderende gass fra det andre kammer til gassmåleren 47 ved en viss, innstilt temperatur, samt en programmering av den innstilte temperatur som skal opprettholdes.

Når operatøren ønsker det, kan computeren innhente måledata for trykk, volum og temperatur (P, V, T).

Computeren 46 kan også gjennomføre en automatisk trykkavlastingssek-vens med suksessive stabiliseringer på forskjellige trykktrinn. I dette tilfelle vil computeren granske trykket og avvente trykkstabilisering, for å innhente P-, V- og T-data før en ny dekompresjon.

Hvis det ønskes av operatøren, kan computeren også gjennomføre samtlige nødvendige P-, V- og T-målinger og samle disse etter validering, enten det gjelder trykket ved innstilt temperatur, volumbestemmelse av det første og det andre kammer ved en innstilt temperatur eller volumet av gassfasen ved roms-temperatur og atmosfæretrykk.

Computeren 46 er forsynt med et lager for registrering av de innhentete

data.

Ved programmering kan computeren bringes til å gjennomføre et visst

antall konvensjonelle prosesser for bestemming av de termodynamiske parametre for den undersøkte prøve og/eller justeringsparametre.

Claims (12)

1. Anordning for gjennomføring av termodynamiske målinger på prøver av stoffer som stammer fra undergrunnen og særlig fra petroleumsholdige områder, omfattende et ytterhus (1) som er forbundet med innretninger (36, 37) for opprett-holdelse av en stort sett konstant temperatur i ytterhuset, et første kammer (8, 10)

av variabelt volum som begrenses i en første sylinder med stort sett vertikal akse ved hjelp av et første stempel (17) som kan beveges glidende i den første sylinder under styring av en skyverinnretning, midler for innføring i kammeret av prøvene som skal undersøkes og midler for oppvarming av prøvene, et andre kammer (9) av variabelt volum som begrenses i en andre sylinder ved hjelp av et andre stempel (16) som beveges glidende under styring av en skyverinnretning, for oppsamling av ihvertfall en del av stoffprøvene som innføres i det første kammer, og hvor det andre kammer står i forbindelse med den øvre del av det første kammer gjennom et kretssystem (12) med en innkoplet, første ventil (18),karakterisert vedat de to kamre er innrettet til å inneholde små stoff-volumer i størrelsesorden f.eks. noen få cm<3>og at den øvre del av det første kammer (8, 10) er av skrå utforming, hvor kretssystemet (12) som styres av en første ventil (18), utgår fra den øvre ende av det første kammer som er utstyrt med en gjennomsiktig vegg (7) som gjør det mulig å iaktta den øvre del.

2. Anordning ifølge krav 1,karakterisert veden transparent blokk (7), utstyrt med et sylindrisk hulrom, og med et optisk system (28, 30) som er innmontert i ytterhuset, for avbilding, på yttersiden av dette, av den skråttutfor-mete, øvre del av det første kammer.

3. Anordning ifølge krav 2,karakterisert vedat den transparente blokk er utformet av safir.

4. Anordning ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat innretningen som forskyver det første og det andre stempel, omfatter et motorsystem og løs-bare koplingsdeler for forskyving av det første og det andre stempel, enten sepa-rat eller sammen og i samme retning.

5. Anordning ifølge krav 4,karakterisert vedat den omfatter en styreenhet (40) som innbefatter midler for optisk koding av stemplenes bevegel-ser, for nøyaktig styring av volumforandringene i de to kamre.

6. Anordning ifølge et av de foregående krav,karakterisert vedat innretningen for drift av det første og det andre stempel er av mekanisk type.

7. Anordning ifølge et av de foregående krav,karakterisert vedat det mellom det første og det andre kammer er anordnet en kapillarrør-grenkanal (27) som er forbundét med en sperreinnretning og en trykkmåler (31) for gjennom-føring av viskositetsmålinger på stoffet i det første kammer.

8. Anordning ifølge et av de foregående krav,karakterisert veden ultralyd-omrører (35) for behandling av stoffet i det første kammer.

9. Anordning ifølge et av kravene 1 eller 4,karakterisert veden bærekonstruksjon (2, 3) med en øvre plate (4) som er utstyrt med et sylindrisk hulrom (9) som danner det andre kammer, og en nedre plate (5) som er utstyrt med et syindrisk hulrom, en gjennomsiktig blokk som er innmontert mellom de to plater og forsynt med en sylindrisk forsenkning (8) som danner det første kammer sammen med hulrommet (10) i den nedre plate (5), hvor skyverinnretningen for glidende bevegelse av det første og det andre stempel (17, 16) omfatter en første bøyle (20) som er fastgjort til det første stempel (17), og en andre bøyle (19) som er fastgjort til det andre stempel (16), hvor hver av bøylene er gjensidig avhengig i translasjon med to gjengete stenger (21 A, 22A, 21B, 22B) som kan gli i respektive kanaler i de to plater (4, 5), og hvor det i hver av disse to plater er innmontert tannhjul (23A, 23B, 24A, 24B) opplagret på aksler (23, 24) for drift av de gjengete stenger, og demonterbare koplingsdeler som forbinder akslene med motorene (ME, MR).

10. Anordning ifølge et av de foregående krav,karakterisert vedventiler (50) for regulering av tilførselen av stoffprøver til det første kammer og for sammenkopling av det andre kammer med måleinstrumenter (48).

11. Anordning ifølge et av de foregående krav,karakterisert vedet styresystem (40) med en computer (46) som er programmert for gjennomføring av målings- og kontrolleringsprosesser på prøvene.

12. Anordning ifølge krav 11,karakterisert vedat styresystemet (40) omfatter midler for måling av de respektive volumer av det første og det andre kammer, og midler (43, 44) som vil reagere under styring av trykkmåleren (31) uavhengig av den rådende, innstilté temperatur.