专利名称：一种可压缩流体高温高压密度测试系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于实验用密度测试装置领域，具体涉及一种可压缩流体高温高压密度测试系统。
背景技术：
目前钻井液密度主要利用杠杆原理通过比重称来测定，即在杠杆一端的样品杯内加注定量的钻井液样品，另一端设置游动砝码，在杠杆平衡时，从杠杆上的刻度直接读出钻井液的密度值，这种杠杆式密度称测试钻井液密度是在常温常压下测定的。但对于可压缩的低密度钻井液来说，采用此方法存在着一些问题，例如，泡沫及添加减轻剂的低密度钻井液在高压下具有可压缩性而在高温下存在膨胀性，而比重称是在常温常压条件下使用，因此不能反映流体在高温高压条件下的真实密度。华北石油管理局在2005年申请了专利“泡沫钻井液密度测试仪”，其主要用于检测泡沫钻井液在模拟井下温度、压力条件下密度变换量及变换规律的专用仪器，该设备的工作原理是将称量好的泡沫液倒入样品杯中，装上活塞，使活塞刚好与泡沫液上方接触。当加温加压时，泡沫体积发生变化，由于样品杯内径是固定值，因此可通过活塞上下移动表征泡沫体积。活塞上装有位移传感器103，通过传感器检测到的数据，计算出样品杯内液体密度。该设备可模拟压力范围O-lOMPa，温度范围0-180°C条件下泡沫流体的密度变化。但是对于低密度钻井液来说它存在三个问题(I)随着低压低渗及易衰竭油气层的开发力度增大，压力O-lOMPa，温度0-180°C的范围远远不能满足要求；(2)该设备样品杯是活动的，力口样时将样品杯取下，加好样品，拧好封盖后再固定到固定架上，样品杯是不锈钢材质，整个样品杯比较重，取下与放入都不方便；(3)样品杯没有冷却装置，需要自然降温或将样品杯取出放置到水池里降温，降温速度慢，另外热的样品杯从固定架卸下取出也有一定的危险性；(4)设备测量的压力为活塞上压力，由于活塞的摩擦阻力影响，釜体内压力与测量压力有一定差值；(5)样品杯及管线裸露，如果发生压力泄露，不利于安全。随着低压低渗地层开发力度加大和欠平衡技术的发展，低密度钻井液的研究将会越来越多。但由于低密度流体密度是可变的，目前的评价方法不能反映低密度流体高温高压条件下的密度特征。因此开发相关可压缩流体密度评价设备并建立新的实验评价方法，促进低密度钻井液技术发展是很有必要的。
实用新型内容本实用新型的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种可压缩流体高温高压密度测试系统，其压力范围在0-60MPa，温度范围在0-180°C，用于评价油基钻井液、泡沫钻井液、添加减轻剂的低密度钻井液等在高温高压条件下的密度变化，其操作简单，使用方便，安全性好。本实用新型是通过以下技术方案实现的—种可压缩流体高温高压密度测试系统，包括固定在设备框架上的外壳和安装在外壳内的密度检测装置、温度装置和压力装置，以及位于外壳外的计算机106 ；所述密度检测装置包括高温高压釜110和位移传感器103 ;高温高压釜110与位移传感器103连接；所述温度装置包括加热器及冷却器109和温度传感器；加热器及冷却器109和温度传感器均安装在高温高压釜110上，计算机106对加热器及冷却器109进行控制；所述压力装置包括高压精密压力源113、管路和压力传感器104，所述压力传感器104与高温高压釜110连接，压力传感器104的数据传输给计算机106。所述高温高压釜110包括釜体7，所述釜体7是固定不动的，为上下均开口的筒状结构；在所述釜体7的上部安装有上釜盖I，下部安装有下釜盖11，上釜盖I和下釜盖11将釜体7的内腔封闭；在上釜盖I和下釜盖11之间设有活塞6，活塞6与上釜盖I之间装有密封加压介质水，通过水给流体加压，活塞6和下釜盖11之间装有被测液体，活塞可以根据上下压力变化发生移动；在所述上釜盖I上开有轴向的中心通孔，在该中心通孔的上部安装有接头4 ;在所述上釜盖I上开有横向孔，用于连接压力装置。所述活塞6上安装有活塞杆5 ;所述活塞杆5穿过所述上釜盖I的中心通孔内的接头4接出釜体7外；所述接头4用来密封活塞杆5和上釜盖I。所述上釜盖I、活塞6、活塞杆5、下釜盖11和釜体7同轴线安装；上、下釜盖都是通过螺纹固定在釜体7上的。所述活塞杆5为管状结构，其中心有轴向的通孔，在所述活塞杆5上部的端口上安装有水平的位移传感器103的基准，所述位移传感器103放置于所述位移传感器103的基准的平面上；通过所述位移传感器103的基准检测活塞移动的距离；所述位移传感器103的基准的另一端与所述压力传感器104相连；所述活塞6上开有轴向的中心通孔，所述活塞杆5的下端插入该中心通孔内，并通过位于活塞6上表面的螺母17固定在活塞6上；所述活塞杆5的下端外表面上装有挡圈，用于活塞杆5与活塞6之间的密封；所述活塞6的外表面上设置有两个O型圈，用于活塞6与釜体7内壁之间的密封；所述接头4与上釜盖I之间装有两个密封圈，用于接头4与上釜盖I及活塞杆5之间的密封；在所述上釜盖I的下部外表面上装有挡圈，用于上釜盖I与釜体7内壁之间的密封。在所述釜体7的壁下部的一侧开有横向通孔，该横向通孔位于下釜盖11的上方，所述温度传感器安装在该横向通孔内，所述温度传感器通过螺丝与釜体7密封固定，其横穿过釜体7的壁，另一端与所述计算机106连接。温度传感器是固定不动的。在所述下釜盖11上开有轴向的中心通孔，在该中心通孔内装有带有塞芯13的堵塞12 ;堵塞12通过螺纹与下釜盖11连接，其目的是在不开启下釜盖11时，也可通过抽出堵塞12来释放浆体，尤其适用于力气比较小的操作人员；所述塞芯13位于釜体7内腔中的一端端面与下釜盖11位于釜体7内腔中的内端面位于同一个平面内，在塞芯13的该端外表面上装有挡圈和O型圈，用于塞芯13与下釜盖11之间的密封；所述塞芯13的另一端即为堵塞12，所述堵塞12通过螺纹与下釜盖11连接并密封。可通过扳手拧松或拧紧堵塞12 ；所述下釜盖11与釜体7的内壁接触处安装有密封垫14，用于下釜盖11与釜体7内壁之间的密封；在所述釜体7的下端设有两个螺纹孔，用于将釜体7固定在仪器框架上；在所述下釜盖11的位于釜体7内腔外的外端面上安装有釜柄10。所述加热器及冷却器109包裹在所述釜体7的外表面上，所述加热器及冷却器109包括加热器和冷却器，所述加热器为电加热管，其呈螺旋状包裹在所述釜体7的外表面上，用于控制釜体温度；所述冷却器为水管线，其呈螺旋状包裹在所述釜体7的外表面上，通过冷凝水为釜体7降温。
所述计算机106完成控制、数据采集、存储和查询功能。计算机106上连接有显示器105，还连接有数据采集通讯�？�107和加温及温度控制�？�108，所述加温及温度控制�？�108用于对加热器及冷却器109进行控制，温度传感器的数据传输给加温及温度控制�？�108，再经过数据采集通讯�？�107传输给计算机106 ;压力传感器104和位移传感器103的数据传输给数据采集通讯�？�107，再由数据采集通讯�？�107传输给计算机106 ；所述外壳的外面接有面板，便于操作和参数设置。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是(I)本实用新型可以模拟地层压力范围是O 60MPa ;温度范围是室温 180°C，可以满足5000米以内低压低渗地层的实验要求；(2)本实用新型的釜体和压力源集成在一个壳体内，通过壳体的控制面板进行相关操作，另外，所有管线、油路等都封闭在壳体内，使用时操纵壳体上的阀门即可完成相关实验，操作简单；(3)本实用新型的釜体是固定不能动的，上下盖都可以打开，一方面其使用方便不需要用很大力气，另一方面也避免了釜体由于经常取上取下而引起的变形；(4)本实用新型的釜体包裹两道管路，一路为电加热管，用于控制釜体温度；一路为水管线，可通过冷凝水为釜体降温。
图I是本实用新型可压缩流体高温高压密度测试系统作用原理图。其中，101是大压力表，102是计量阀，103是位移传感器，104是压力传感器，105是显示器，106是计算机，107是数据采集通讯�？椋�108是加温及温度控制�？椋�109是加热器及冷却器，110是高温高压釜110，111是二位三通电磁阀，112是电控器，113是高压精密压力源，114是调压阀，115是小压力表。图2是本实用新型可压缩流体高温高压密度测试系统中的高温高压釜110的结构不意图。其中，I是上爸盖，2是密封圈A, 3是密封圈B, 4是接头，5是活塞杆，6是活塞，7是爸体，8是O型圈,9是O型圈，10是爸柄，11是下爸盖，12是堵塞，13是塞芯，14是密封塾，15是挡圈，16是O型圈，17是螺母，18是挡圈，19是挡圈，20是开口销。图3是本实用新型可压缩流体高温高压密度测试系统中的高温高压釜110的釜体7外面水路、加热管路意图。[0038]图4是本实用新型可压缩流体高温高压密度测试系统的安装示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细描述如图I可压缩流体密度测试系统工作原理图所示，本实用新型是用于测定高温高压条件下液体的密度，利用P =m/v的原理，将液体装入一固定直径的容器中，上面封有可密封且可上下移动的活塞。当容器内的温度压力发生变化时，液体也会出现体积膨胀或缩小的现象，从而推动活塞下行或上行。通过位移传感器103检测出活塞移动的距离，换算出液体在高温高压条件下体积，从而计算出液体的密度。所述可压缩流体高温高压密度测试系统包括外壳、温度检测和控制装置、压力装置、密度检测装置和计算机106，计算机106完成数据采集、存储和查询功能，计算机106对 温度装置进行控制并收集数据；压力装置、密度检测装置、系统外壳都是安装在仪器框架上的(如图4所示。)；所述外壳使设备整体看起来很紧凑，而且高压管线都在外壳内，保证安全。外壳外部有面板，便于操作和参数设置。所述密度检测装置包括高温高压釜110和位移传感器103 ;高温高压釜110与位移传感器103连接，位移传感器103的数据传输给计算机106 ；所述压力装置包括高压精密压力源113和管路和压力传感器104，所述高压精密压力源113通过管路接入高温高压釜110的釜体7内，具体来说，高压精密压力源113上接有进水管路和回水管路，在高压精密压力源113与釜体7连接的管路上安装有大压力表101和计量阀102，气源通过管路接入高压精密压力源113，在该管路上依次连接有调压阀114、二位通电磁阀111、小压力表115和电控器112。所述压力传感器104与高温高压釜110连接，压力传感器104的数据传输给计算机 106。所述温度装置包括加热器、冷却器和温度传感器；加热器和冷却器和温度传感器均连接在高温高压釜110上，温度传感器的数据传输给计算机106。所述高温高压釜110的结构如图2所示，包括釜体7，所述釜体7是固定不动的，为上下均开口的筒状结构；在所述釜体7的上部安装有上釜盖I，下部安装有下釜盖11，上釜盖I和下釜盖11可将釜体7的内腔封闭，上、下釜盖都是通过螺纹固定在釜体7上的；所述上釜盖I、下釜盖11和釜体7同轴线安装。因为承压能力要求高，釜体很厚、很重，因此本实用新型的釜体7是固定的，其下面有开口，可以放出检测液体。这样，一方面操作方便不需要用很大力气，另一方面也避免了釜体由于经常取上取下而引起的变形。在所述釜体7的内腔中安装有活塞6，其位于下釜盖11的上方；所述活塞6上安装有活塞杆5 ;在所述上釜盖I上开有中心通孔，在该中心通孔的上部安装有接头4，用来密封活塞杆和上釜盖。所述活塞杆5为管状结构，其中心有轴向的通孔，通过活塞的通孔可进入活塞杆。活塞杆5不是实心的，而是有一通孔，通过这个通孔可以排气，保证实验时活塞与钻井液液面的接触。在活塞杆5上端口上安装有水平的位移传感器103基准，所述位移传感器103基准的另一端接入压力传感器104，位移传感器103放置于位移传感器103基准上，通过位移传感器103基准来检测活塞的位移。因为釜体内液体压力和活塞杆内液体是连通的，因此测量的活塞杆内液体压力即为釜体压力，使得测量的压力更准确。所述活塞6上开有轴向的中心通孔，所述活塞杆5的下端插入该中心通孔内，并通过位于活塞6上表面的螺母17固定在活塞6上；所述活塞杆5的下端外表面上装有挡圈19，用于活塞杆5与活塞6之间的密封。所述活塞6的外表面上设置有O型圈 8和O型圈9,用于活塞6与爸体7内壁之间的密封。所述接头4与上釜盖I之间装有密封圈A2和密封圈B3，用于接头4与上釜盖I及活塞杆之间的密封；在所述上釜盖I的下部外表面上装有挡圈18，用于上釜盖I与釜体7内壁之间的密封。在所述釜体7的壁的下部开有横向通孔，该横向通孔位于下釜盖11的上方，里面放置温度传感器，温度传感器通过接头和釜体7密封并将数据传递到计算机106上。在所述下釜盖11上开有轴向的中心通孔，在该中心通孔内装有带有塞芯13的堵塞12 ；所述塞芯13位于釜体7内腔中的一端端面与下釜盖11位于釜体7内腔中的内端面位于同一个平面内，在塞芯13的该端外表面上装有挡圈15和O型圈16,用于塞芯13与下釜盖11之间的密封；所述塞芯13的另一端即为堵塞12。图2中的开口销20只是为了容易相下取堵塞，没有其他作用。所述下釜盖11与釜体7的内壁接触处安装有密封垫14。釜体下端设有两个螺纹孔用于将釜体7固定在仪器框架上。在所述下釜盖11的位于釜体7内腔外的外端面上安装有釜柄10，当需要维修时，可以利用斧柄将下釜盖打开。如图3所示，在所述釜体7的外表面包裹有螺旋状的两道管路，一路为电加热管，用于控制釜体7的温度；一路为水管线，可通过冷凝水为釜体降温。高温高压釜110是本实用新型测试系统的核心，活塞6位于上下釜盖之间，与被测液体液面接触，活塞6与下釜盖11之间密封被测液体，活塞6与上釜盖I之间密封加压介质水。检测液体在温度压力发生变化时，体积会发生变化，由于釜体7的内径不可变，因此检测液体体积发生变化时，活塞6就会上下移动，活塞5上连有活塞杆5，活塞杆5上连接有位移传感器103基准，位移传感器103放置于位移传感器103基准上，当活塞6位移发生变化时，就会带动活塞杆5及位移传感器103基准位移发生变化，通过检测位移传感器103基准的位移即可知道活塞6的位移，从而可以计算得出釜体内液体的体积变化。本实用新型的工作原理为；通过内置(就是在壳体里面放着的，不需要外接空压机等压力源。)的精密压力源加压，压力进入高温高压釜110体后，活塞在压力作用下向下移动，从而压缩流体，通过位移传感器103测出的位移量，计算体积和密度的变化情况。另外还可以通过温度恒定改变压力，或压力恒定改变温度，计算体积和密度的变化情况。本实用新型的具体使用步骤如下使用时先拧好下釜盖11和堵塞12然后将被测量的液体倒入釜体7，然后将带有活塞杆5的活塞6装入，拧松上釜盖I上面的接头4，使上釜盖I的通孔穿过活塞杆5装入到釜体7。通过旋转活塞杆5慢慢向下放入活塞6，一直到当活塞杆5内有浆体溢出时说明活塞6已经接触到了液面，停止活塞6下放，拧紧上釜盖I上的接头4，这样被测量的液体被封闭在釜体7的内腔中；将水平的位移传感器103基准接到活塞杆5上部的端口上，它的作用是为了计量活塞移动的距离，位移传感器103就放置于所述基准的平面上，位移传感器103基准的另一头接入压力传感器104，位移传感器103和压力传感器104都通过数据线传输到电脑上。调出设备程序，输入起始质量和密度，设定好温度，开始实验，通过面板上的阀门进行压力控制。加压时，通过压力源将水压入上釜盖与活塞之间，通过活塞施加于流体，当流体体积发生变化时，活塞就会发生相应移动，从而带动活塞杆及其上的位移传感器103基准发生移动，检测到的位移传感器103基准移动的距离就是活塞移动的距离。实验结束后关闭程序、卸压、通冷却水降温，当温度降到室温后打开釜体7下面阀门(指的是打开堵塞12，但是直接打开下釜盖11也可以放出下部流体)放出流体；液体完全放干净后，拿开位移传感器103，依次卸下压力传感器104、位移传感器103基准；拧松接头4，拧下上釜盖并取出釜体；拔出活塞，将釜体清洗干净，结束实验。本实用新型的可压缩流体密度测试系统主要用在一定温度、压力条件下密度发生变化的流体，包括添加减轻剂的低密度钻井液、油基钻井液、泡沫流体等。总之该设备主要用来评价低密度流体的可压缩性。经过几十年来的油气勘探开发，老油田都陆续进入开发中后期，勘探开发开始向低压低渗等勘探条件较差的区块转移。低压或衰竭油气层的开发、保护油气层等诸多问题急待解决；另外随着欠平衡钻井技术在世界范围内复杂中小油气田、断块油气田、薄油层、低压低渗低产能油田以及老油田的技术挖潜中的大规模应用，已经成为了继水平井技术之后的另一大发展方向。在这种形势下低密度钻井液技术也随之迅速发展，已经成为低压钻井和欠平衡钻井的核心技术之一，低密度钻井液在防止低压地层漏失、保护油气层、提高机械钻速方面效果明显，在油气田的高效开发中发挥着越来越重要的作用。因此对低密度钻井液的研究将会越来越多，越来越深入。低密度钻井液研究过程中，密度是最关键的指标，研究低密度钻井液，必须有可测量流体可压缩性指标的仪器，因此性能稳定、使用方便的可压缩流体密度测试系统也将面临广阔的市场前景。上述技术方案只是本实用新型的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本实用新型公开了原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本实用新型上述具体实施例所描述的结构，因此前面描述的只是优选的，而并不具有限制性的意义。
权利要求1.一种可压缩流体高温高压密度测试系统，其特征在于所述可压缩流体高温高压密度测试系统包括固定在设备框架上的外壳和安装在外壳内的密度检测装置、温度装置和压力装置，以及位于外壳外的计算机(106)； 所述密度检测装置包括高温高压釜(110)和位移传感器(103);高温高压釜(110)与位移传感器(103)连接； 所述温度装置包括加热器及冷却器(109)和温度传感器；加热器及冷却器(109)和温度传感器均安装在高温高压釜(110)上，计算机(106)对加热器及冷却器(109)进行控制； 所述压力装置包括高压精密压力源(113)、管路和压力传感器(104)，所述压力传感器(104)与高温高压釜(110)连接。
2.根据权利要求I所述的可压缩流体高温高压密度测试系统，其特征在于所述高温高压釜(110)包括釜体(7)，所述釜体(7)是固定不动的，为上下均开口的筒状结构；在所述釜体(7)的上部安装有上釜盖(I)，下部安装有下釜盖(11)，上釜盖(I)和下釜盖(11) 将釜体⑵的内腔封闭； 在上釜盖(I)和下釜盖(11)之间设有活塞(6)，活塞(6)与上釜盖(I)之间装有密封加压介质水，活塞(6)和下釜盖(11)之间装有被测液体； 在所述上釜盖(I)上开有轴向的中心通孔，在该中心通孔的上部安装有接头(4);在所述上爸盖(I)上开有横向孔。
3.根据权利要求2所述的可压缩流体高温高压密度测试系统，其特征在于所述活塞(6)上安装有活塞杆(5);所述活塞杆(5)穿过所述上釜盖⑴的中心通孔内的接头⑷接出釜体⑵外。
4.根据权利要求3所述的可压缩流体高温高压密度测试系统，其特征在于所述上釜盖(I)、活塞出)、活塞杆(5)、下釜盖(11)和釜体(7)同轴线安装；所述上釜盖(I)和下釜盖(11)都是通过螺纹固定在釜体(7)上的。
5.根据权利要求3所述的可压缩流体高温高压密度测试系统，其特征在于所述活塞杆(5)为管状结构，其中心有轴向的通孔，在所述活塞杆(5)上部的端口上安装有水平的位移传感器(103)的基准，所述位移传感器(103)放置于所述位移传感器(103)的基准的平面上；所述位移传感器(103)的基准的另端与所述压力传感器(104)相连。
6.根据权利要求5所述的可压缩流体高温高压密度测试系统，其特征在于所述活塞(6)上开有轴向的中心通孔，所述活塞杆(5)的下端插入该中心通孔内，并通过位于活塞(6)上表面的螺母(17)固定在活塞(6)上；所述活塞杆(5)的下端外表面上装有挡圈； 所述活塞￠)的外表面上设置有两个O型圈； 所述接头(4)与上釜盖(I)之间装有两个密封圈； 在所述上釜盖(I)的下部外表面上装有挡圈。
7.根据权利要求6所述的可压缩流体高温高压密度测试系统，其特征在于在所述釜体(7)的壁下部的一侧开有横向通孔，该横向通孔位于下釜盖(11)的上方，所述温度传感器安装在该横向通孔内，所述温度传感器通过螺丝与釜体(7)密封固定，其横穿过釜体(7)的壁。
8.根据权利要求7所述的可压缩流体高温高压密度测试系统，其特征在于在所述下釜盖(11)上开有轴向的中心通孔，在该中心通孔内装有带有塞芯(13)的堵塞(12);堵塞(12)通过螺纹与下釜盖(11)连接； 所述塞芯(13)位于釜体(7)内腔中的一端端面与下釜盖(11)位于釜体(7)内腔中的内端面位于同一个平面内，在塞芯(13)的该端外表面上装有挡圈和O型圈；所述塞芯(13)的另一端即为堵塞(12)，所述堵塞(12)通过螺纹与下釜盖(11)连接并密封； 所述下釜盖(11)与釜体⑵的内壁接触处安装有密封垫(14)； 在所述釜体(7)的下端设有两个螺纹孔；在所述下釜盖(11)的位于釜体(7)内腔外的外端面上安装有釜柄(10)。
9.根据权利要求I所述的可压缩流体高温高压密度测试系统，其特征在于所述加热器及冷却器(109)包括加热器和冷却器，所述加热器为电加热管，其呈螺旋状包裹在所述釜体(7)的外表面上；所述冷却器为水管线，其呈螺旋状包裹在所述釜体(7)的外表面上。
10.根据权利要求I所述的可压缩流体高温高压密度测试系统，其特征在于所述计算机(106)上连接有显示器(105)，还连接有数据采集通讯模块(107)和加温及温度控制�？�(108)，所述加温及温度控制�？�(108)用于对加热器及冷却器(109)进行控制，温度传感器的数据传输给加温及温度控制�？�(108)，再经过数据采集通讯�？�(107)传输给计算机(106);压力传感器(104)和位移传感器(103)的数据传输给数据采集通讯�？�(107)，再由数据采集通讯�？�(107)传输给计算机(106)； 所述外壳的外面接有面板。
专利摘要本实用新型提供了一种可压缩流体高温高压密度测试系统，属于实验用密度测试装置领域。其包括固定在设备框架上的外壳和安装在外壳内的密度检测装置、温度装置和压力装置，以及位于外壳外的计算机(106)；所述密度检测装置包括高温高压釜(110)和位移传感器(103)；高温高压釜(110)与位移传感器(103)连接；所述温度装置包括加热器及冷却器(109)和温度传感器；加热器及冷却器(109)和温度传感器均安装在高温高压釜(110)上，计算机(106)对加热器及冷却器(109)进行控制；所述压力装置包括高压精密压力源(113)、管路和压力传感器(104)，所述压力传感器(104)与高温高压釜(110)连接。
文档编号G01N9/00GK202562823SQ20122018419
公开日2012年11月28日 申请日期2012年4月25日 优先权日2012年4月25日
发明者赵素丽, 石秉忠, 林永学, 陈铖, 常连玉, 刘金华 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院
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