高温高压沉降测试仪.pdf

一种高温高压沉降测试仪用于分析钻探泥浆，或含固形物的流体；其包括一个圆筒形的能耐受高温高压的压力容器组合体(80)，一个在该压力容器组合体(80)内被驱动旋转的同轴圆筒形的旋转体(33)，一个取样口(12)供抽取样品作进一步分析之用，还有一个进样口(74)供补加样品液之用。所说的压力容器组合体(80)由一个压力容器支架(90)支承，可以倾斜并固定在任何角度。

1.  一台沉降测试仪包括：
(a)一个压力容器，
(b)在以上所说的压力容器中，有一个旋转体，此旋转体被驱动转动，且此旋转体直接与被测样品液接触，
(c)采取某种手段驱动旋转体转动，
(d)在以上所说的压力容器上，至少有一个开口能利用压差抽取被测样品液，
(e)采取某种手段对于从以上所说的压力容器中抽出的样品液，作至少一项与沉降特性相关的测量。

2.  沉降测试仪要求权利1中，所说的采取某种手段作至少一项与沉降特性相关的测量，是采用密度测量装置。

3.  沉降测试仪要求权利1中，所说的采取某种方法驱动旋转体转动，是采用磁耦合驱动方法。

4.  沉降测试仪要求权利1中，所说的采取某种手段驱动旋转体转动，是一台电机。

5.  沉降测试仪要求权利1中，所说的旋转体是圆筒形的。

6.  沉降测试仪要求权利1中，所说的旋转体是个搅拌浆。

7.  沉降测试仪要求权利1还包括对驱动旋转体转动的装置的能量消耗的检测。

8.  要求权利1中的沉降测试仪中还包括一根管道，其一端连着所说的压力容器的所谓的开口，另一端处于所说的压力容器的内指定的某一位置。

9.  要求权利8中所说的指定的某一位置是所说的压力容器的底部。

10.  要求权利1中的所说的沉降测试仪中还包括一个旋转支架，其能支承所说的压力容器以任何角度倾斜。

11.  一台沉降测试仪中包括：
a)一个装载被测样品液的压力容器，
b)一个旋转支架，其能支承所说的压力容器以任何角度倾斜，
c)所说的压力容器上设有一个取样口，可在有压差条件下抽取被测样品液，
d)所说的压力容器上设有一个加压口，以便补加流体到所说的压力容器中，维持所说的压力容器内部压力恒定，
e)采取某种方法对从所说的压力容器中抽出的样品液作至少一项与沉降特性相关的测量，

12.  要求权利11中的所说的沉降测试仪，对样品液作至少一项与沉降特性相关的测量所采取某种方法，是密度测量装置。

13.  要求权利11中的所说的沉降测试仪，还包括一根管道，其一端连着所说的压力容器的取样口，另一端处于所说的压力容器的内指定的某一位置。

14.  要求权利13中的所说的指定的某一位置是所说的压力容器的底部。

15.  要求权利11中的所说的沉降测试仪，包括采取某种手段将所说的样品液和加压流体隔离，这种加压流体是用于对所说的压力容器加大压力。

16.  对于要求权利15中的所说的沉降测试仪，采取的将所说的样品液和加压流体隔离的某种手段是活塞。

17.  一台沉降测试仪中包括：
(a)一个压力容器，
(b)一个旋转支架，其能支承所说的压力容器以任何角度倾斜；
(c)在所说的压力容器中，有一个被驱动的旋转体，其直接与被测样品液接触，
(d)采取某种手段驱动旋转体转动，
(e)所说的压力容器至少有一个开口，由于压差，样品液能从压力容器中抽出，
(f)有一个样品池，以便向所说的压力容器中不断补加样品液，
(g)采取手段对从所说的压力容器中抽出的样品液作至少一项与沉降特性相关的测量。

18.  要求权利17中的所说的，采取手段对从所说的压力容器中抽出的样品液作至少一项与沉降特性相关的测量，是作密度测量。

19.  要求权利17中的所说的沉降测试仪中，驱动旋转器转动的手段，是采用透过以上所说的压力容器器壁的磁力耦合驱动方法。

20.  要求权利17中的所说的沉降测试仪，包括一根管道，其一端连着所说的压力容器的所谓的开口，另一端处于所说的压力容器的内指定的某一位置。

高温高压沉降测试仪
技术领域
此发明涉及监控、测量和分析钻探泥浆中加重物质的沉降特性的装置和方法。
背景技术
这个测试仪应用于检测油井钻井泥浆的沉降特性。此沉降特性是指钻井机在钻井操作和静止状态中加重添加剂沉降特性，尤其适用于加了重晶石这样的粘稠钻井泥浆。密度检测是此仪器的核心功能。
对于竖井或接近于竖井来说，泥浆沉降不成问题，但对于斜坡角度大的钻井来说，泥浆沉降则有问题了。现今打井的倾斜角度不断增大，泥浆沉降逐渐成了瓶颈问题。加重添加剂的沉降，致使泥浆流动性降低，钻透速率下降，切削移除率减少。当钻井机钻头停止转动时，泥浆的流动停止，加重添加剂的沉降明显发生。当钻井机处于静止时，加重添加剂的沉降问题有可能集中发生在钻井某些区段。
这个问题早在20世纪二十年代就引起人们关注，为了减缓这个问题，人们采取种种努力调节钻井液。可是至今，为开展有关研究所必需的基础数据仍很匮乏。钻井液的变化都是基于人们在这个领域的推测数据。有关井下泥浆的密度数据则是当今油田生产和钻井操作至关重要的数据。
用于测试钻井泥浆的加重添加剂的沉降特性的装置报道的很少。美国专利U.S.6,330,826所报道的装置是一个锥形的，或是折锥形内体；外体的外壳上有一个开口，内外体紧密配合，但之间有一个狭窄的缝形成一个同锥顶的锥形内腔容器。电动机驱动内体相对于外体旋转；将样品输入以上锥形容器中以检测钻井泥浆的密度。这种装置的缺点之一在于它不能模拟井下高温高压的环境。另一缺点是这种装置中锥形内外体构造与钻井泥浆实际所处环境差距太大，因为实际钻井孔和钻具都是圆筒形的。
而美国专利U.S 6,584,833所披露的是一个在高温高压条件下测试钻井泥浆的动态和静态沉降特性的装置。这一发明的缺点之一是结构太复杂。它包含一个非常复杂的测试室和一个很精细的电子控制系统。在2007年，它的造价约为本发明的仪器的8倍。这一装置的另一缺点是发明设计的特性决定了它很难实现5,000psi以上的高压条件，因为它需要对重心的微小移动产生相应的传递信号，为此它就不能采用厚实沉重的高压容器。本发明的装置则能承受高于30,000psi的压力。该装置的还有一缺点是部件太多，设计结构复杂，难以操作和清理。
发明内容
本发明的目的是提供一个测试仪器，在动态和静态，以及近似模拟井下环境的条件下，测试钻探泥浆中由加重填充物或其它固形物所致的沉降特性。
本发明的另一目的是提供一个测试仪器，通过模拟高倾斜到低倾斜角度的钻井操作条件的设计，可在动态和静态条件下，测定任何倾斜角度的钻井泥浆的沉降特性。
本发明还有一个目的是为工业生产提供一台只需较少维护工作的测试仪器，以达到工业仪器准确可靠、经久耐用和易于清理的要求标准。
本发明的目的可以通过以下措施来达到：
沉降测试仪包括一个可耐受高温高压的圆筒形压力容器，其内部有一个同心的圆筒形旋转体，通过内外磁耦合带动。这台高温高压沉降测试仪有一个加料口，用以控制压力容器内部压力。至少还置有一个取样口，用以抽出测试样品。通过密度计、比重计及流体分析仪等仪器对样品的密度、成份及其它性质进行测试。
本发明的装置和测试方法提供了一种新途径用于测试高温高压下，钻探泥浆或其它高含固形物流体中大比重物质动态的或静态的沉降情况。此外，本测试仪还可检测样品的粘度。
附图说明
图1是本测试仪的压力容器组合体80的断面图；图2是本测试仪的流程图；图3是另一种结构的压力容器组合体80A的断面图；图4是对应于压力容器组合体80A的流程图；图5是对应于另一种结构的压力容器组合体80B的流程图，这种构建方式压力容器组合体80B只有一个进出口。
附图标识
12取样口
12A取样口            12B取样口
22抽样管             26o-形密封圈
26Ao-形密封圈        27A活塞
28Ao-形密封圈        30A螺纹
32支承轴承           33旋转体
33A内置旋转体        34耦合磁体
35器壁               35A器壁
36磁体夹持体         37A动态密封器
38驱动磁体           39热电偶
39A热电偶            40磁体底座
41直孔               41A热电偶插孔
42轴承               43锥形面
44轴承               45A轴
46闭锁螺帽           47器壁底
47A器壁底            48套管
49A电机              50螺钉
52加热器             52A加热器
54转轴               62压力容器主体
62A压力容器主体      63螺纹
63A螺纹              74进样口
74A高压进样口        76压力容器盖
76A压力容器盖        78螺纹
80压力容器组合体     80A压力容器组合体
80B压力容器组合体    90压力容器支架
90A压力容器支架    90B压力容器支架
92活塞             92B活塞
94加压油室         94B加压油室
96液压泵           96A液压泵
96B液压泵          98样品池
100减压阀          100A减压阀
100B减压阀         102样品室
102B样品室         104取样阀
104A取样阀         104B三通阀
106高压取样容器    106A高压取样容器
106B高压取样容器
具体实施方式
本测试仪的其它目的、特点和优点将对照附图具体详细阐述如下。
对图1，2的说明：
图1，是包括压力容器主体62和压力容器盖76等的压力容器组合体80的断面图。压力容器主体62可拆卸，其与压力容器盖76通过螺纹63连接。o-形密封圈26以确保流体不能通过螺纹63逃逸出去。压力容器主体62里面，螺纹63的下方称为器壁35，其一直延伸到器壁底47。一个拔梢的孔形成一个锥形面43下联直孔41位于器壁底47的中心。转轴54，坐落在拔梢孔的锥形面43上，通过闭锁螺帽46经螺纹78固定在器壁底47上。拧紧闭锁螺帽46使转轴54和器壁底47于拔梢孔的锥形面43初步密封结合。热电偶39插入转轴54的中心。转轴54的径向外侧有套管48。套管48由Rulon，Teflon或相当的塑料材质制成。磁体夹持体36和耦合磁力体34都处于套管48的外面的方位。螺钉50把磁体夹持体36和耦合磁体34固定在旋转体33底部上.支撑轴承32纵向支持着旋转体33，磁体夹持体36和耦合磁体34，使之围绕转轴54同心自由旋转。设置进样口74，以维持压力容器组合体80的内腔压力为一定值.样品的添加和排放都经进样口74。设置取样品口12以便从压力容器组合体80中抽取样品料检测和分析。抽样管22的一端在压力容器组合体80顶部与取样品口12密封连接。抽样管22的另一端延伸到压力容器组合体80的底部。如此结构保证样品从压力容器组合体80的底部抽取。磁体的底座40设置在压力容器主体62的外面，由轴承42和轴承44承托可自由旋转。磁体的底座40的旋转可以任何传统的方式驱动，如齿轮变速箱驱动或电机带动。驱动磁体38安装在磁体的底座40上，与安装在压力容器主体62上的耦合磁体34差不多保持同一水平高度。图2中，压力容器组合体80由压力容器支架90支承，可以相对于水平面0-90o之间任何一个倾斜角度固定。样品池98与进样口74相连。加压油室94与样品室102相连，并都在样品池98中，但被活塞92隔开。活塞92有效地防止高压流体和测试样品混合。减压阀100和液压泵96都在加压油室94的那一方面，与样品池98相连。取样阀104与取样品口12连接。高压取样容器106根据需要可与取样阀104相连接。
对照图1，2具体说明操作过程：
在图1中，转轴54通过闭锁螺帽46与压力容器主体62紧密连接，能和压力容器主体62一起清洗。组装过程中，用螺钉50把磁体夹持体36，耦合磁体34和旋转体33紧固成一体。套管48挤压进入磁体夹持体36，并将放入压力容器主体62的底部，由转轴54支撑，可以旋转。用一个电机或齿轮变速箱驱动磁体底座40带动驱动磁体38旋转。由于驱动磁体38和耦合磁体34之间的磁性耦合作用，旋转体33和磁体底座40以相同速度旋转。将被测试样品倒入压力容器主体62中，直至样品液面淹没旋转体33的顶部。旋紧压力容器盖76直至o-形密封圈26顶到位置。经样品口12添加样品液直至样品液从样品口74溢出，以赶出压力容器组合体80内的所有空气。加热器52加热压力容器主体62，同时热电偶39将温度信号反馈送至温控器。图2中，压力容器组合体80安装到压力容器支架90上，并调节到所要求的倾斜角度。关闭减压阀100和取样阀104。然后，液压泵96开始将高压油输送到样品池98的高压油室94中。活塞92被高压油推动，将样品室102中更多的样品，经进样口74挤压送入压力容器组合体80内。达到所要求的压力后，关闭液压泵96。磁体底座40被驱动以所要求的速度旋转，加热器52加热压力容器组合体80直到所需温度。压力容器组合体80内部压力高于所要求的压力时，短暂打开减压阀100，放掉少量高压油以使压力容器组合体80内压力回落到所要求的压力。
经历一定的时段后，打开取样阀104。高压取样容器106接受高温高压样品后，将之冷却后排放到大气环境中。根据需要，决定是否设置高压取样容器106，如果样品蒸发不成问题，样品可直接向大气环境中排放。因为设置了图1中的排气管22，可以从压力容器组合体80的近底部采取样品。采取的样品进一步进行成份分析和密度检测。最后，根据这些数据的推算，得出所测试的样品的重物沉降特性信息。在从压力容器组合体80中抽取样品的同时，液压泵96又将加压液体输送到样品池98中，进而补加样品到压力容器组合体80中，以维持其中压力不变。
在图1中，通过测算带动驱动磁体38恒速旋转的设备能量消耗，得出被测样品在高温和高压条件下的粘度。因为器壁35静置而旋转体33转动，在旋转体33的外表面存在着由被测样品的粘度而引起的剪切力。当旋转体33恒速转动时，被测样品的粘度越大，在旋转体33的外表面的剪切力越大。因此驱动设备为克服剪切力所需能量的消耗就越大。
图3，4的说明-----对应于不同的抽样方式组合元件的另一种构建形式：
图3显示了对应于不同抽样方式所构建的压力容器组合体80A的断面图。压力容器组合体80A包括压力容器主体62A和压力容器盖76A。压力容器主体62A可拆卸，其与压力容器盖76A通过螺纹63A连接。o-形密封圈26A以确保流体不能通过螺纹63A逃逸出去。压力容器主体62A里面，螺纹63A的下方称为器壁35A，其一直延伸到器壁底47A。轴45A由电机49A驱动，插在压力容器组合体80A的底部。内置旋转体33A通过罗纹扣固定连接在轴45A的顶部。内置旋转体33A呈圆筒形，差不多位于压力容器主体62A的中心。动态密封器37A将元件底47A与轴45A密封连接。热电偶39A经热电偶插孔41A插入压力容器组合体80A的底部。设置高压进样口74A，是为了维持压力容器组合体80A内压力保持衡量。样品的补加和排放是经高压进样口74A实施。取样口12A只供工作时从压力容器组合体80A内抽样检测分析使用。取样口12A宜设在压力容器主体62A的较低的位置，并在径向与元件底部47A连接。活塞27A位于压力容器主体62A内部。活塞27A下方充满被测样品，活塞27A上方充满加压流体。采用o-形密封圈28A以保证被测样品和加压流体的隔离。图2中，压力容器组合体80A由压力容器支架90A支承，可以在相对于水平面0-90o之间任何一个倾斜角度固定。减压阀100A和液压泵96A都与高压进样口74A相连接。取样阀104A与取样品口12A连接。高压取样容器106A根据需要与取样阀104A相连接
操作过程-----对应于图3，4，因抽样方式不同构建的组合元件的具体操作说明：
图3中，轴45A紧紧立在压力容器主体62A的底部。将内置旋转体33A旋紧固定在轴45A的末端。将预定体积的样品倒入压力容器主体62A，插入活塞27A。加些高压流体到活塞27A的顶部。旋紧压力容器盖76A直至o-形密封圈26A顶到位置。可经高压进样口74A补加高压流体。加热器52A加热压力容器主体62A，同时热电偶39A将温差信号反馈送至温控器。图4中，压力容器组合体80A被安装到压力容器支架90A上，再倾斜到所要求的角度后固定。关闭减压阀100A和取样阀104A。此后，液压泵96A向压力容器组合体80A输送压力油。到达所要求的压力后，关闭液压泵96A。电机49A驱动内置旋转体33A以所要求的速度旋转，加热器52A加热压力容器组合体80A以达到所要求的温度。假如压力容器组合体80A内部压力高于所要求的压力，短暂开启减压阀100A排放少量的压力油，以使压力容器组合体80A内部压力回落到所要求的压力。
图4中，经历一定的时段后，打开取样阀104A。高压取样容器106A接受高温高压样品，将之冷却后排放到大气环境中。根据需要，决定是否设置高压取样容器106A，如果样品蒸发不成问题，样品可直接向大气环境中排放。采取的样品进一步进行成份分析和密度检测。最后，根据这些数据的推算，得出所测试的样品的重物沉降特性信息。在从压力容器组合体80A中抽取样品的同时，液压泵96A又将压力流体补加到压力容器组合体80A中，以维持其中压力不变。
图3中，在升温和升压过程中，通过测算电机49A的能量消耗，可得出被测样品的粘度。因为器壁35A静置而内置旋转体33A转动，所以存在被测样品的粘度而引起的剪切力，施加在内置旋转体33A的外表面上。当内置旋转体33A恒速转动时，被测样品的粘度越大，在内置旋转体33A的外表面的剪切力越大，因此电机49A为克服剪切力所需能量的消耗就越大。
图5说明-----只有一个样品进出口的组合元件的另一种构建形式：
图5中，压力容器组合体80B由压力容器支架90B支承，可以在相对于水平面0-90o之间任何一个倾斜角度固定。除了没有图1中所设定的进样口74之外，压力容器组合体80B和图1中压力容器组合体80有着相似的内部构造。样品池98B连着一个三通阀104B。在样品池98B中的压力油室94B和样品室102B，被活塞92B分隔。活塞92B有效地阻隔压力流体与样品的混合。减压阀100B和液压泵96B都在压力油室94B的那一边与样品池98B相连接。三通阀104B与压力容器组合体80B上的取样品口12B连接。高压取样容器106B根据需要与三通阀104B相连接。
操作过程-----对应于图5只有一个样品进出口的组合元件的具体操作说明：
图5中，压力容器组合体80B安装在压力容器支架90B上，并倾斜到所要求的角度。关闭减压阀100B。在连接取样口12B和样品池98B的管线上设置三通阀104B。此后，液压泵96B开始输送压力油到样品池98B中的压力油室94B中。活塞92B被压力油挤压，推送样品室102B中样品液，经取样口12B到达到压力容器组合体80B中。达到所要求的压力后，关闭液压泵96B。假如压力容器组合体80B内部压力高于所要求的压力，短暂开启减压阀100B排放少量的压力油，以使压力容器组合体80B内部压力回落到所要求的压力。
经历一个所要求的检测周期后，将三通阀104B调向连通取样口12B和高压取样容器106B的方位上。高压取样容器106B接受高温高压样品，将之冷却后排放到大气环境中。根据需要，决定是否设置高压取样容器106B，如果样品蒸发不成问题，样品可直接向大气环境中排放。采取的样品进一步进行成份分析和密度检测。最后，根据这些数据的推算，得出所测试的样品的重物沉降特性信息。
衍生设计
旋转体33和内置旋转体33A不一定是圆筒形。它们可以是叶片平板形，框式或者其它几何形状。而且，如果不需对流体进行剪切，旋转体33和内置旋转体33A可以省去。
图1中，类似取样口12，可设置多个样品口，并且每个都连有类似取样管22的取样管，各根管的末端处于压力容器组合体80内部不同的位置。这种设置可以同时抽取压力容器组合体80内部不同高度位置的样品。由此，可以得到压力容器组合体80内部的物料密度分布。
图1中器壁35和图3中的器壁35A可以是锥形而不是圆筒形。
由压力容器组合体80底部抽出的样品除了可以检测密度，还可用以分析物料的其它性质。
图1中，驱动磁体38可被以振荡转动形式驱动而不只是定向旋转，并同时监控驱动装置的能耗。类似的，在图3中，内置旋转体33A也可被以振荡形式而不是定向旋转形式驱动，当电机49A的能耗被监控时，由此可以进行样品的粘弹性测试。
图1中，取样管22的末端不一定要位于压力容器组合体80的底部。取样管22的末端可以位于任意高度，在那个指定的位置上，经过一些时间研究密度的变化。同理图3中，取样口12A的穿通点也不一定要位于压力容器组合体80A的底部。
图2中，样品池98不一定要用活塞形式。可以采用气囊叠集器形式或者任何相当方式。
图2中，一旦样品抽取后，高压样品容器106随即关闭，可以测出高压样品容器106的总重，并用以计算测试样品的密度而无须排放它。
图1中，驱动磁体38不一定要位于压力容器组合体80的贴近外径位置。它可以位于压力容器组合体80的下方，只有它能与耦合磁体34产生磁耦合作用即可。
图2中，除了密度之外，可以采用其它种类的设备来分析从压力容器组合体80抽到高压取样容器106中的样品，进而得到钻井流体的沉降特性。
图3中，如果压力流体与被测样品不会混合，或者图4中液压泵96A可以直接输送样品液的话，活塞27A可以省去。
据上述内容，读者可看出本发明能用以构建一个可转动高压容器，从它抽取高温高压样品液，用以监控其密度变化。这种结构还可再适当的转速下，产生剪切力用以检测样品的粘度。它能满足钻探工业的一个紧急需求。
目的和优点：
综上所述，本发明的沉降检测仪明显具备以下优点：
(a)从高压测试容器中抽取高温高压的钻井流体进行密度检测和其它分析而不必排放降低高压测试仪体内的压力。
(b)由于结构简单，部件少，用本发明方法检测，易于操作和维护。
(c)本发明的额定压力只是由压力容器、管道和阀门的额定压力所限制，可以达到60,000psi。过去所报道的有关压力流体沉降的信息都只在稍大于5,000psi的压力下测试的。
(d)本发明的方法可以动态和静态方式，在各种倾斜角度条件下，进行高温高压钻井流体的测试。
对应文中附图来理解文字的说明，可以更清楚地领会本发明的目的和优点。