在施工现场测定石油流体样品特性的设备 【发明领域】
本发明涉及一种在施工场地测定从地下特别是含石油的地区提取的流体样品的特性的设备，尤其是涉及很容易运输到施工场地的一种紧凑的现场设备。
本发明的设备通过减少操作者的许多操作程序让操作者可以在现场进行多方面的热力学测量。它还能找出样品是否充分有效的证据以便在把它们送到一中心实验室进行更复杂的分析之前，检查所获得的抽样是否确实具有代表性。
上述这些在工地上对体积很小的样品进行的测量和分析能避免先后地把样品送到离现场很远的实验室去进行测量和分析地那种时间长而费用高的传统解决办法，有时候，当发现样品没有代表性时，必须重做测量和分析。因此，使用本发明的设备能节省时间并节省费用。
本发明的设备允许例如对于油类的石油样品测量它们的GOR(气体—油比率)、“始沸点”和油的密度，而对气体类的样品，则可以测量气相的“露点”，画出液体的沉积曲线或进行气体混合物的定性分析。
【发明背景】
众所周知，为了开发在地下的诸如石油之类的沉积物，先要对从井眼中提取的样品进行热力学性能的研究。掌握这些热力学的性能能估计出地下的储量、优选施工设备或确定操作方法。通过使用从样品分析得到的数据所形成的组分模型来计算热力学性能。
例如使用一种所谓“PVT”类型的分析方法能测量样品的特性，它们中的某些参数如压力和温度，当埋葬得较深时其值就不同于在表面的样品的压力和温度的值。这类分析方法可测量重要参数，如测试样品中表示气相出现的“始沸点”、压缩系数、粘度、密度和GOR等，这些都是专业人员所熟知的。
本发明的申请人的已有技术专利FR-2,666,415揭示了一种在实验室或在现场中对小体积样品进行热力学测量的设备。此设备包括一恒温控制的壳体、一具有设置在透明蓝宝石体的两侧的两块板的支承结构和两个小截面圆筒形腔室，这两个腔室由通过机械驱动装置能在两腔室中移动的两个滑动活塞所限定，驱动是这样进行的：通过与运动装置耦合的轴驱动螺纹杆使螺纹杆旋转。密封件设置在位于两个腔室的壁上、围绕两活塞的槽中。第一腔室通过透明体而部分可见，它的端部是一个斜面，通过一阀与第二腔室连通的一管路通向其顶部。一毛细管把两个腔室连接起来并能对样品进行粘度测量。由于这种设备的紧凑性，它能方便地被运输到采样现场。
发明概要
本发明的设备能在施工现场直接测量从地下特别是含石油的地区提取的流体样品。它包括：在一恒温控制的壳体中的一主体，该主体包括第一腔室和在第一腔室上面的第二腔室，第一腔室至少有一个尖的端部，这两个腔室的体积随着运动部件在两个圆筒中的移动而可以加以改变；使两运动部件运动的装置；把流体送进或送出腔室的装置；以及控制在两腔室之间的连通的装置。
本发明设备的特点是主体包括两个通到第一腔室尖端部分的同轴径向空穴，它们是为由两个分别紧紧地插入这两个空穴的、由光学元件组成的光学显示装置而设的，它们各有一个刚性管套、一由透明材料如蓝宝石制成的与刚性管套一致设置的圆柱体和把一连接于光发射或光接收光纤的一端固定以形成第一腔室端部的图象的固定装置。
使用这些光导纤维的显示体借助探测样品液相与气相之间的弯月面的装置能使有关GOR测定的相分离操作自动化。
根据第一种工作方式，两腔室分别由两个形成活塞的、各带有密封件的杆所限定。设备包括：控制两杆移动的运动装置；一置于恒温控制的壳体中的气量计，这样的气量计有助于缩短互联线路同时减少冷凝的可能性，而这些往往是测量误差的因素。
根据第一工作方式，第一腔室由一个形成活塞的有密封件的杆所限定，第二腔室由一置于第一腔室顶部的可动活塞气量计的内容积所组成。
腔室或单元(cell)和气量计结合在一起的第一工作方式提供了一较轻的设备，因此，设备能在施工现场方便地移动，同时在单元(cell)与气量计之间的一个很短的连接线路有利于进行精密的测量。
在一实施例中，主体固定在恒温控制的壳体内，两个可动部件(在气量计装在第一下腔室的顶部时，至少在该下腔室中的杆)分别与两个悬垂件连成一体，通过驱动螺纹杆使之旋转使各悬垂件平行于两活塞移动，运动装置(例如步进电动机或同步电动机)分别地或同步地旋转与悬垂件相配的杆。
气量计的活塞例如在一圆筒内滑动，它有一连接于用来把圆筒中的压力限制在一设定值的运动装置的杆，以便能在这个压力下测量通过混合物膨胀释放的气体的体积。
设备更可取地包括一控制运动装置和光学显示体的装置，例如包括：一控制驱动螺纹杆的运动装置的模块(module)；探测传递到螺纹杆的运动并把它们转换成体积变化测量值的光学编码测量线路；以及一可通过第一光学元件控制第一腔室的照明并通过第二光学元件形成在诸相之间的界面图象的模块。
设备还包括一搅动在第一腔室中的流体的振荡器，控制装置包括一产生作用于振荡器的信号的线路。
设备更可取地包括一可编程的、以使测量过程自动化的微机。
在一实施例中，设备包括一测量至少在第一腔室中的压力的装置，控制装置包括一用来存储这些测量装置的、作为一设定温度值的函数的校准系数的线路，以及一个根据设定温度值来选择校准系数的元件，以便使测量装置可以独立地作出响应。
测量压力的装置包括至少一个设置在第一腔室壁中的空穴内的薄膜压力探测器，薄膜与该腔室的内表面齐平，以便限制间隙体积，
密封件可与活塞一起移动，不管活塞在它们各自的腔室中的贯穿程度怎样，两圆筒与相应的活塞之间的间隙体积保持不变。
在一实施例中，主体安装在恒温控制的壳体内，两个活塞分别与两个悬垂件连成一体，通过驱动螺纹杆使之旋转使各悬垂件平行于两活塞移动，以及驱动运动装置(例如步进电动机)，以分别旋转与各悬垂件相连的杆。
设备更可取地包括用来控制运动装置和光学组件的装置。
此控制装置包括例如：一控制驱动螺纹杆的运动装置的模块；一探测传递到螺纹杆的运动并把它们转换成两腔室的体积的变化的测量值的光学编码测量线路。它还可以包括一通过第一光学元件控制第一腔室的照明并通过第二光学元件形成试样在液相之间的界面图象的模块。
设备还包括一搅动在第一腔室中的流体的振荡器，控制装置还包括一产生作用于振荡器的信号的线路。
设备进一步包括例如一测量第一腔室中的压力的装置，在此情况下，控制装置包括一用来存储此测量装置的、作为一设定温度值的函数的校准系数的线路，以及一个用来根据指定的设定温度值选择校准系数的元件，以便使测量装置能独立地作出响应。
设备更可取地包括一可以编程以使测量过程自动化的微机。
附图简要说明
本发明的其他特征和优点通过结合附图阅读下面作为例子举出的一实施例的描述可以更加清楚，图中：
图1是在恒温控制外壳中的本发明设备的第一剖面示意图；
图2是设备另一剖面的示意图；
图3是驱动螺纹杆使其旋转的装置的剖面示意图；
图4是设备与控制模块的示意图；
图5是适用于流体样品的热力学测量的设备的第一工作方式的示意图；
图6是控制装置及其控制微机的框图；以及
图7是设备的适用于检验流体样品是否具有代表性的第二工作方式的示意图。
较佳实施例的描述
设备(见图1)包括一刚性主体1，该主体1包括两个被一圆柱形体4分开的平板2，3。主体1的两块平板固定于刚性支承框架6的一垂直柱5上。主体1放在一恒温控制外壳7内。两根相互横向分开地设置并可沿其轴自由旋转的螺纹杆8a，8b位于框架6的一上水平柱9与上平板2之间。两根分别与杆8a，8b对齐的类似杆10a，10b位于主体下平板3与框架6的下水平柱11之间。
两个悬垂件12，13分别在主体1的两侧，它们包括分别与螺纹杆8，10相配的螺纹孔。通过驱动螺纹杆8，10使之旋转可使悬垂件12，13垂直移动。
在主体1中设有两个具有一锥形端的同轴圆筒形腔室14，15(见图2至5)。它们在其尖端通过一由阀V5控制的细管路16而相互连通。各有一圆锥端、形状与腔室相配的两个活塞17，18可在两腔室内滑动。两活塞分别与两可移动的悬垂件12，13连成一体。每个活塞在其尖端处的附近有一个密封圈J。因而，不管活塞伸入各自的腔室的程度怎样，在每个活塞的尖端与相应的密封圈J之间的周缘间隙体积是不变的。
设备包括一个具有两个光学元件19，20的光学显示装置(图1)。在主体1中有两个分别为两光学元件19，20而设的通向下腔室14顶部附近的同轴径向空穴。每一个有一金属框架，其中有一个为一诸如由蓝宝石制成的透明体21而设的中心孔。各透明体通过一光导纤维端22向外延伸。其中一个光导纤维23a与一如光发射二极管的光源连通，相对的光学元件20的光导纤维23b有一能形成下腔室14的圆锥端图象的光接收元件。
有了在第一腔室顶部的抽取区域(draw-off zone)的圆锥端结构、蓝宝石22和照明系统，使在第一腔室中对流体进行的所有操作都相当精确。特别是在压力下的一双相物质的所有气相都必须在这第一下腔室14中被精密抽取并送到第二腔室15中时的情况下尤其是如此。
主体包括一为一压力探测器P1而设的在顶部附近的通向下腔室14的空穴。至少在第一腔室14使用一齐平式薄膜探测器P1(图7)以使可能会影响测量精度的间隙体积达到最小。导体25把探测器P1连接到一装在恒温控制外壳7外面的控制装置，此装置将结合图4和6加以描述。
此外，在主体1中放置一温度探针ST，以便测量物质样品的温度。
与一搅动进入第一腔室14的物质样品的超声波发生器SU(图4)相连的压电陶瓷(图未示)固定于下板3上。
两腔室14，15通过阀V2，V4分别与可以把流体从一腔室送到另一腔室以进行粘度测量的毛细管线圈27(图5)连通。一与在两腔室14，15间的细管路16连通的阀V3可使下腔室14排空。一阀V1控制到下腔室14的进口以便输送待分析的流体样品。
设置在相对于螺纹杆轴垂直的平面中的驱动轴28，29分别与螺纹杆8a，8b和10a，10b相连(图3)。每根轴能绕其轴旋转地固定于板2，3中之一个。它们各有两个齿轮30a，31a，和30b，31b，所述齿轮与相应的螺纹杆8，10的螺纹啮合。轴28，29的外端与在恒温控制外壳附近的壳体中的步进驱动电动机ME1，ME2的轴耦合。
设备还有一控制装置CA(图6)，它包括：
—一模块32，用来控制两个驱动电动机ME1，ME2，一光学编码测量线路33，用来探测传递到电动机ME1，ME2的驱动轴28，29的运动并把它们转换成随第一和第二腔室14，15的体积变化的测量值；
—一调整温度的线路34。此线路从探针ST接收温度数据。它作用于恒温控制外壳的加热元件35并适于自动限制其中的最高温度；
—一模块36，用来通过孔19控制下腔室14的照明并接收经孔20接收到的两相之间的界面图象；
—一产生作用于超声波发生器SU的信号的线路37；
—一线路38，用来储存压力探测器26的、作为一由温度探针ST指示的设定温度值的函数的校准系数，以及一用来根据设定温度值选择校准系数的元件39，以使探测器31独立地进行响应。控制装置还包括：一用来探测具有行程末端(end-of-travel)指示器的悬垂件的位置的线路40，41；以及一连接于压力探测器P1，P2的探测线路42，用来探测在腔室中压力在设定压力值之上的超过量。
一控制装置中的微机43，用以使测量过程自动化。
腔室14，15的截面小到允许对约为几立方厘米数量级的小物质体积进行测试，运动装置适于通过形成活塞的螺纹杆17，18的移动把在这些腔室中的压力达到数百巴以上。使用的小体积一方面可以保证安全，另一方面使预热和搅动的时间保持最短。
物质样品处在它处于地下区域时的温度和压力条件之下，通过向后移动第一活塞使压力降低可以有效测量例如其压缩量。进一步降低其压力可使其部分蒸发。打开阀V5，所有气相体都可转移到第二腔室15。
在图5所示的工作方式中，设备与一气量计44连接，该气量计44设置在密封壳体7内主体1的附近。由阀V9控制的气量计的输入口通过阀V6连接于第二腔室15。
通过一阀V7气量计可连接于一真空泵(图未示)。在第二腔室中的气体膨胀到大气压力之后，气量计44能测量此气体的体积。腔室15和气量计44相邻使它们维持在避免冷凝的相同温度下可以取得精密的测量结果。
气量计通过一阀V8与例如一色谱分析仪45耦合。第一腔室可以通过阀V1与本领域的技术人员所熟知的一汲取微单元(draw-off microcell)46耦合，以便测量被分析物质的密度。
还可从一运输瓶47直接使样品的压力传递到设备的第一腔室。也可在传递到第一腔室17之前先进入在中间级的微单元46。微单元可称重量以便确定进入单元的质量。还可确定物质的密度。
图5的实施例，特别适合于样品的热力学分析，因为它还可以通过线圈27连接腔室15及17而检测样品的粘度。如果仅需检查检测的样品是否确实具有代表性可以代表被分析的物质，则可用如图7所示的方式使用本发明的设备。
从图7中可以看到，第二腔室是由气量计44的内容积构成的。与运动部件(8，12，ME1)耦合的杆18在这里被一在圆筒49中滑动的活塞48所代替。此活塞杆与适于保持圆筒49中压力最多等于一参考值的运动部件连接，以便能在这个压力下测量由混合物膨胀时所释放的气体体积。同样，为了得到较高的测量精度，这个气量计放在恒温控制的壳体7中。
有了单元和气量计相结合的这种安排，就可形成一较轻的设备，从而在施工场地很容易移动搬迁。此外，把单元和气量计连接起来的线路很短，消除了使测量不精确的一个因素。
微机43适于进行某些数据采集和操作控制程序。
—例如在一给定的设定温度值，气体通过膨胀到大气压力从第二腔室传送到气量计44时，微机能进行一自动压力控制，以便测定在标准条件下的气体体积(引入一校正值以得出在15℃时的体积)。它还可以通过程序使温度达到设定的温度值。在操作员的要求下，它还可以对压力、体积和温度(P，V，T)的测得值即测得的数据进行采集。
—微机43还能在若干压力级连续稳定地自动进行减压程序。在此情况下，它扫描压力并等待压力的稳定以在一新的减压之前进行P，V，T数据的采集。
—在操作员的要求下，微机43还能在确认其代表性之后进行所有的必要的P，V，T的测量并获得其测量值，在设定的温度和压力值下的进行在第一和第二腔室中流体的体积的测定，测定在环境温度和大气压力得到的气体的体积。
—微机43包括记录已获得的数据的存储装置。
—通过设计程序，可使微机43进行若干不同的操作，以例如用图5所示的实施例测定待分析的样品的热力学参数和/或校准参数，或用如图7所示的实施例对样品进行代表性的确认操作。