ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ И ПРИМЕСЕЙ

Физические свойства вещества характеризуют качество и соответ­ственно возможность их использования для определенных целей. Свойства веществ определяются численными значениями физические или физико-химических величин, поддающихся измерению. Напри­мер, свойства веществ могут быть определены твердостью, упру­гостью, плотностью, вязкостью, электропроводностью и т.д.

Следует учитывать, что свойства веществ могут изменяться в за­висимости от внешних условий. Так, с изменением температуры изме­няются плотность жидкостей и газов, прочность и упругость материа­лов. Следовательно, с целью получения сопоставимых результатов при определении свойств веществ в различных внешних условиях необходимо учитывать значения этих внешних условий и вносить соответствующие поправки к результатам измерений. При наличии функциональной зависимости или экспериментальных формул эти поправки можно определить расчетным путем. Иногда их устанавлива­ют с помощью справочных таблиц или соответствующих графиков.

Следует отметить, что изменение состава веществ приводит к из­менению их свойств. Так, например, в буровой-раствор иногда приме­шивают тяжелые компоненты для того, чтобы повысить среднюю плотность или изменить вязкость его. По плотности раствора можно

судить о концентрации в нем компонентов. Увеличение концентрации солей в растворе ведет к увеличению его электропроводности. Изме­нение состава нефти приводит к изменению ее вязкости.

Таким образом, свойства веществ могут служить косвенной харак­теристикой их состава.

При управлении технологическими процессами бурения, добычи и транспорта нефти и газа необходимо измерять параметры, характери­зующие свойства как добываемых нефти и газа, так и материалов, применяемых в ходе технологического процесса. Для этих целей используют анализаторы свойств материалов.

Наибольшее значение в технологических процессах нефтегазодобывающей промышленности имеют такие параметры, как плотность и вязкость.

В добываемой из скважин нефти часто содержатся вода, мине­ральные соли и механические примеси. Вода может находиться в нефти либо в виде глобул большого размера (тогда она легко отстаивается при хранении), либо в виде эмульсии. Эмульсии могут быть весьма стойкими, и отделение воды из них связано с определен­ными трудностями. Вода в нефти—нежелательный компонент, вред­ный балласт. Нецелесообразно подавать нефть, содержащую свыше 1% воды, на перекачку по магистральным трубопроводам, так как, во-первых, перекачка нефти с большим содержанием воды приводит к неоправданно большим энергетическим затратам, во-вторых, в во­де, содержащейся в нефти, имеются в растворенном виде соли, кото­рые вызывают коррозию трубопроводов, оборудования и аппаратуры. Поэтому на нефтяных промыслах нефть обезвоживают на специаль­ных установках.

Таким образом, контролировать содержание воды и солей в нефти и нефтепродуктах необходимо на нефтяном промысле, на обезвожи­вающих и обессоливающих установках и при сдаче товарной нефти, что осуществляется специальными автоматическими анализаторами содержания воды и солей в нефти, которые рассматриваются в на­стоящей главе.

Механические примеси в нефтях состоят из мелкого песка, гли­ны, мельчайших частиц железа, различных солей. Содержание их иногда может быть значительным. Большая часть этих примесей при хранении нефти оседает в резервуарах и в грязевиках нефтеперераба­тывающих установок.

Основной способ определения механических примесей основан на разбавлении испытуемых нефтепродуктов растворителями с после­дующей фильтрацией растворов через бумажные или иные фильтры. По привесу фильтра находят количество механических примесей.

ИЗМЕРЕНИЕ ПЛОТНОСТИ

Плотность вещества—одна из основных характеристик, численно равная отношению массы М к его объему: ρ=M/V. Единицей плот­ности является кг/м³. Иногда пользуются понятием относительной плотности вещества, которая определяется отношением его массы к массе чистой воды при температуре +4°С, взятой в том же объеме. Относительная плотность—величина безразмерная. Так как вода и нефтепродукты имеют, неодинаковые коэффициенты расширения, то при определении плотности необходимо указывать температуры воды и нефтепродукта, при которых проводилось определение.

В СССР плотность нефти и нефтепродуктов определяют при тем­пературе +20°С и относят к плотности воды при температуре +4°С, принятой за единицу. Эта плотность обозначается через .

Удельный вес—это физическая величина, равная отношению веса вещества к его объему; γ=G/V.

Плотность и удельный вес связаны между собой таким же отноше­нием, как масса и вес, т. е. γ=ρg, где g— ускорение свободного па­дения.

Плотность жидкостей или газов измеряют с помощью плотноме­ров, которые по принципу действия подразделяются на следующие группы: поплавковые, весовые, пьезометрические, вибрационные и радиоактивные.

К поплавковым плотномерам относят ареометры, глуби­на погружения поплавка которых в исследуемую жидкость обратно пропорциональна ее плотности. По числу делений выступающей ча­сти ареометра из исследуемой жидкости определяют значение плот­ности. Такие ареометры применяют при определении плотности буро­вого раствора.

Принцип действия весовых плотномеров основан на том, что при Неизменном объеме масса жидкости прямо пропорциональна ее плотности. Следовательно, для измерения плотности достаточно не­прерывно взвешивать определенный: объём жидкости, протекающей по трубопроводу.

Схема весового плотномера типа ДУВ-ТК-101 изображена на рис. 9.1. Чувствительным элементом прибора является U-образная трубка 4, соединенная с подводящими неподвижными патрубками при помощи сильфонов 8. С изменением плотности жидкости, протекаю­щей по трубке, вес ее меняется и заслонка 3 приближается или от­ходит от сопла 2. Соответственно изменению плотности жидкости изменяется и давление воздуха на выходе пневмоусилителя 1. Это давление фиксируется вторичным прибором 10, шкала которого гра­дуирована в единицах плотности.

Для автоматического введения поправки на изменение плотности при изменении температуры в конструкции прибора предусмотрен манометрический термометр, состоящий из термобаллона 9, капил­лярных соединительных трубок и сильфона, заполненных сжатым азо­том. При отклонении температуры от 20 °С, при которой тарируется прибор, термосистема воздействует через рычаг обратной связи 7 и сильфон 6 на трубку 4, внося тем самым поправку. Для устранения влияния окружающей температуры Предусмотрен компенсационный сильфон 11, а для устранения произвольных колебаний—демпфи­рующее устройство 5.

Изменение показаний вторичного прибора от 0 до 100% соответст­вует приращению плотности Δρ=100 кг/м³. Максимальное рабочее давление 1,6 МПа, рабочая температура —5, +110°С. Погрешность датчика ло выходному пневматическому сигналу ±1% от диапазона шкалы.

Принцип действия пьезометрических плотномеров основан на том, что давление жидкости на глубине Н от поверхности равно весу столба жидкости. При неизменных глубине Н и площади F чувствительного элемента с изменением плотности р будет пропор­ционально изменяться давление р

На рис. 9.2,а приведена схема одного из пьезометрических плотно­меров — сильфонного с унифицированным пневмопреобразователем (типа ПЖ.С-П). В измерительной камере на определенном расстоя­нии друг от друга расположены сильфоны 11 и 14, соединенные под­вижным коромыслом 13. При изменении плотности жидкости, проте­кающей через измерительную камеру, изменяется деформация сильфонов, вследствие чего коромысло поворачивается относительно сво­ей точки опоры. Коромысло 13 при помощи углового рычага 9 соеди­нено с Т-образным рычагом 1 унифицированного пневмопреобразователя. Герметичность вывода рычага из измерительной камеры обеспе­чивается мембраной 10. Внутренние полости сильфонов 11, 14 и 12, из которых 11 и 14—измерительные, соединены последовательно с помощью трубки. Сильфон 12 предназначен для компенсации по­грешности, вызываемой изменением температуры. Все сильфоны за­полнены контролируемой жидкостью, плотность которой мини­мальна. Датчик типа ПЖС-П позволяет измерять плотность в диапа­зоне 500—2500 кг/м³. Схема подключения сильфонного плотномера с унифицированным электросиловым преобразователем (ПЖС-Э) к объекту контроля показана на рис. 9.2,б.

Принцип действия пьезометрического плотномера для измерения плотности бурового раствора типа ГПА-1 (рис. 9.3) основан на диф­ференциальном измерении давления столба жидкости в желобе цир­куляционной системы.

Плотномер состоит из дифференциального узла сравнения усилий, пневмопреобразователя с силовой компенсацией и механической си­стемы передачи перемещений и усилий. Измерительные мембраны 1 и 2 связаны через суммирующий рычаг 19. На него действуют силы гидравлического давления, определяемые разностью погружения мембран под уровень жидкости:

где ΔН—разность глубин погружения мембран под уровень жидко­сти; S—эффективная площадь мембран.

Поскольку g, ΔH и S — величины постоянные, то ΔР пропорцио­нально измеряемой плотности жидкости. Усилие ΔР уравновешивает­ся силой, возникающей в сильфоне 8 обратной связи, которая пере­дается рычагу 19 через систему рычагов 4, 5, 7. Уравновешивание осуществляется следующим образом. При изменении плотности буро­вого раствора (например, при ее увеличении) усилие ΔР возрастает и вызывает перемещение толкателей 3, 4 вверх. Одновременно ры­чаг 5 поворачивается вокруг шарнирной опоры и заслонка 10 прибли­жается к соплу 11. При этом повышается давление на выходе пневмоусилителя 12 и в сильфоне 8 обратной связи. Давление на выходе пневмоусилителя изменяется пропорционально изменению плотности в пределах 20—100 кПа. Для устранения возможной разности площадей мембран предусмотрено изменение соотношения плеч 16 и 19 суммирующего рычага при помощи скользящей опоры 18.

Плотномер имеет две шкалы, отградуированные в пределах 0,8— 1,8 г/см³ и 1,8—2,8 г/см³. Переключение шкал осуществляется с по­мощью пневмотумблера 14, сильфона 22 и рычага 15. Для работы в первом диапазоне с помощью пневмотумблера 14 на сильфон 22 подается от пневмосети сжатый воздух. При этом дно сильфона упи­рается в ограничитель хода 20, в результате чего рычаг 15. переме­шается вниз, растягивая пружины 13, 23 и 9. Регулировкой натяжения этих пружин устанавливается нижний предел измерения (20 кПа). Настройка верхнего предела измерения осуществляется перемещением сильфона 8 и тяги 6. Для переключения прибора на второй предел измерения тумблер 14 размыкают. При этом сжатый воздух выходит из сильфона 22 и рычаг 15 поднимается вверх до упора винта 21 в ограничитель, вследствие чего натяжение пружин 13, 23 и 9 уменьшается, давление на выходе пневмоусилителя падает и стрелка показывающего прибора занимает положение начала отсче­та по второму диапазону измерения. Регулировка начальной точки второго диапазона измерения осуществляется путем перемещения упора 21, расположенного на рычаге 15. Основная погрешность изме­рения составляет ±1,5% от предела.

Принцип действия радиоактивных плотномеров основан на изменении поглощения γ-излучения радиоактивного источника при прохождении лучей через жидкость в зависимости от изменения плот­ности этой жидкости. Интенсивность I узкого пучка γ-лучей, прошед­шего через слой жидкости толщиной х и плотностью ρ, определяется

выражением

где Iо—начальная интенсивность при хр=0; μо—коэффициент ослабления γ-лучей.

Преимуществом радиоактивного плотномера является отсутствие непосредственного контакта измерительного прибора с измеряемой средой. Следовательно, этот прибор можно применять для измерения плотности агрессивных жидкостей, а также жидкостей, находящихся в сосудах под высоким давлением, и полимеризующихся сред.

На рис. 9.4 приведена принципиальная схема плотномера типа ПЖР. На участке трубопровода 2, в котором протекает исследуемая жидкость, монтируются источник 1 и приемник 3 излучения. В каче­стве излучателя применяют радиоактивный изотоп Со⁶⁰ или Cs¹³⁷. Гамма-лучи от источника пронизывают стенки трубопровода и слой исследуемой жидкости и попадают в приемник излучения. Электри­ческий сигнал приемника, являющийся функцией измеряемой плотно­сти, формируется блоком 4 и передается на вход электронного пре­образователя 5. На этот же преобразователь поступает электриче­ский сигнал, полученный от блока 9, формирующийся при попадании на приемник 8 гамма-лучей источника 6, прошедших через компенса­ционный клин 7. Принцип действия и устройство источника 6, бло­ка 9, приемника 8 и источника 1, приемника 3 и блока 4 идентичны.

Разность сигналов усиливается в электронном преобразователе и подается, на реверсивный двигатель 10, который связан с компенса­ционным клином 7 и плунжером 11 дифференциально-трансформа­торного датчика вторичного прибора 12. В зависимости от размера и знака сигнала в электронном преобразователе реверсивный двига­тель перемещает клин до тех пор, пока разность сигналов не станет равной нулю. Перемещение клина, с которым связана стрелка пока­зывающего прибора, пропорциональна изменению плотности жидко­сти. Интервал измерения плотности плотномером ПЖР от 600 до 2000 кг/м³, погрешность прибора 2%.

ИЗМЕРЕНИЕ ВЯЗКОСТИ

Вязкостью, или внутренним трением, называют свойство жидко­стей и газов, характеризующее сопротивление действию внешних сил, вызывающих их течение. Одна и та же сила создает в разных жидко­стях разные скорости перемещения слоев, отстоящих один от другого на одинаковых расстояниях. От вязкости зависит мощность, затрачи­ваемая на перекачку жидкости по трубопроводам.

Вязкость—основная физико-механическая характеристика сма­зочных масел. Она влияет на способность данного сорта масла при температуре, характерной для данного узла трения, выполнять свои функции.

Качество буровых растворов, способность их удерживать выбурен­ную породу во взвешенном состоянии и тем самым обеспечивать очистку забоя в процессе бурения также в значительной мере зависят от вязкости.

Различают динамическую и кинематическую вязкость.

Динамическая вязкость ti жидкости определяется силами межмо­лекулярного взаимодействия. Измеряют ее в Па*с и определяют по формуле

где dw/dn—градиент скорости по поперечному сечению потока; S— площадь внутреннего сдвига.

Величина, обратная динамической вязкости, носит название теку­чести, которая выражается в Па^-1*с^-1.

Кинематическая вязкость представляет собой отношение динами­ческой вязкости жидкости к ее плотности ρ при той же температу­ре, т. е,

Иногда вязкость нефтепродуктов нормируется не в абсолютных величинах, а в градусах условной вязкости:

Условной вязкостью ВУ называется отношение времени истечения 200 мл испытуемого нефтепродукта через калиброванную трубку при температуре испытания (τ_ж) ко времени истечения 200 мл дистилли­рованной воды при температуре 20 °С (τ_в).

Вязкость в значительной мере зависит от степени нагрева вещест­ва, поэтому необходимо всегда указывать температуру его определе­ния. В технических требованиях вязкость чаще всего нормируется при 50 и 100 °С, реже при 20 °С (для маловязких масел).

Приборы для определения вязкости называют вискозиметрами. В зависимости от принципа действия вискозиметры бывают капил­лярные, с падающим шариком и ротационные. Кроме того, существу­ют вискозиметры для определения условной вязкости.

Капиллярные вискозиметры. Действие капиллярных вис­козиметров основано на законе Пуазейля, характеризующем истече­ние жидкостей из капилляров:

где r—радиус капилляра, м; р—давление, при котором происходит истечение жидкости из капилляра, Па; τ—время истечения объема V жидкости, с; L—длина капилляра.

Формулу (9.7) можно записать в следующем виде:

где Q—расход жидкости через капилляр (Q=V/τ), м³/с; Δр—пере­пад давления на концах трубки, Па.

При постоянном расходе жидкости Q, а также при неизменных геометрических размерах капилляра τ и L динамическую вязкость можно определить по перепаду давления на капиллярной трубке

Истечение исследуемой жидкости из трубки определенных диа­метра и длины происходит под действием силы тяжести или постоян­ного внешнего давления. Вязкость определяют по перепаду давления или по давлению перед капиллярной трубкой.

Вискозиметры с падающим шариком. Зависимость скорости падения шарика в жидкости от вязкости последней находят по формуле Стокса

где К. — коэффициент пропорциональности; ρ — плотность материала шарика; ρ_о—плотность исследуемой жидкости; г—радиус шарика; w—скорость равномерного падения шарика.

Закон Стокса справедлив для условий, при которых шарик дол­жен быть правильной формы, иметь гладкую поверхность и двигаться со скоростью, при которой вокруг него не было бы вихрей и устанав­ливалось ламинарное течение жид­кости. Кроме того, жидкость долж­на быть однородна, без влияния посторонних движений (конвекци­онных токов, движения пузырьков газа и т. п.).

Схема автоматического вискози­метра с падающим шариком пока­зана на рис. 9.5. В верхней части измерительной трубки 4 располо­жен шестеренчатый насос 2, ко­торый периодически по заданной программе забирает пробу из резервуара 3. При этом шарик 1, находящийся в нерабочем со­стоянии на нижней сетке 5, вос­ходящим потоком жидкости под­нимается вверх и останавлива­ется у верхней ограничиваю­ щей сетки 6. В момент касания шарика верхней сетки насос автоматически останавливается и шарик падает в неподвижной сре­де. На измерительную трубку 4, выполненную из немагнитного метал­ла, надеты катушки 7 и 8. Первичные и вторичные обмотки катушек соединены по дифференииально-трансформаторной схеме. При про­хождении шарика через катушки на выходе измерительной схемы возникает сигнал разбаланса, который усиливается усилителем 9. Если расстояние между катушками 7 и 8 фиксировано и равно L, то скорость движения шарика в трубке w=L/ τ и формула (9.9) при­мет вид

т.е. измерение вязкости сводится к отсчету времени, в течение кото­рого шарик при падении проходит путь от верхней до нижней сетки.

Вторичный прибор 11 представляет собой электросекундомер, управляемый релейным блоком 10. Пределы измерения прибора мож­но менять, подбирая размер шарика.

Ротационные вискозиметры. Действие этих приборов основано на измерении вязкостного сопротивления при вращении те­ла в жидкости. Крутящий момент при этом выражается линейной за­висимостью

где К—постоянная прибора; η—вязкость жидкости, ω—угловая скорость.

Ротационные вискозиметры различаются формой вращающегося элемента и способом измерения крутящего момента. В качестве вра­щающегося элемента применяют пластины, цилиндры, лопасти, набор дисков.

Крутящий момент определяют одним из следующих способов:

1) по силе тока, потребляемой электродвигателем привода вра­щающегося элемента:

2) по углу поворота уравновешивающей торсионной пружины;

3) по реактивному моменту вращения статора приводного элек­тродвигателя.

Схема устройства ротационного вискозиметра, использующего пер­вый способ измерения крутящего момента, показана на рис. 9.6.

Управляющая обмотка ω_y вместе с конденсатором С составляет одно из плеч мостовой схемы, в диагональ которой включен показы­вающий прибор П. Емкость С соответствует условию резонанса с индуктивностью обмотки оду. Нуль прибора устанавливается и урав­новешивается мостовой схемой при вращении цилиндра в воде. При вращении цилиндра в исследуемой жидкости в зависимости от ее вяз­кости изменяется момент на валу двигателя, а следовательно, и экви­валентное сопротивление в цепи обмотки ω_у, что приводит к разба­лансу моста. Таким образом, с изменением вязкости жидкости изме­няется сила тока, протекающего через показывающий прибор, включенный в диагональ моста.

Для измерения дифференциальной вязкости (разность вязкостей бурового раствора на входе в скважину и выходе из нее) существует измерительная система, схема которой показана на рис. 9.7.

Синхронный двигатель 4 с постоянной угловой скоростью вращает ось двойного бесконтактного сельсина-датчика 5, который по индика­торной схеме соединен с двумя бесконтактными сельсинами-приемни­ками 2 и 7. Ось сельсина-приемника 2 механически соединена с телом вращения, погруженным в буровой раствор, поступающий в скважи­ну, непосредственно вблизи всасывающей линии бурового насоса.

В связи с индикаторным режимом работы сельсинов, сельсин 2 будет также вращаться со скоростью п, а силы вязкости бурового раствора создадут на его оси тормозной момент. При этом произойдет рассогласование вращающихся сельсинов 5 и 2 и появится ток в про­водах их связи.

При ламинарном движении слоя жидкости, примыкающего к телу вращения, вязкость будет пропорциональна тормозному моменту, а в пределах углового рассогласования сельсина до 30°—току, про­ходящему по линии связи. Силу этого тока регистрирует миллиампер­метр 3, шкала которого отградуирована непосредственно в единицах вязкости. Вязкость бурового раствора, выходящего из скважины, измеряют аналогичным сельсином-приемником и миллиамперме­тром 6. Тело вращения, связанное с осью сельсина 7, погружено в. буровой раствор, выходящий из скважины.

Размеры и форма тел вращения, а также электрические параме­тры сельсинов 2 и 7 принимают одинаковыми. Сила токов, протекаю­щих через первичные обмотки трансформаторов ТР1 и ТР2, зависит от вязкости бурового раствора в сосудах 1 а 9. Электрические сигна­лы от вторичных обмоток трансформаторов поступают в ячейку авто­матического -вычитания, состоящую из детекторов В, емкостных фильтров С и мостовой схемы (сопротивлений R1, R2, R3). Показа­ния миллиамперметра 8 также градуируют в единицах вязкости раствора. Переменные сопротивления R1 и R3 позволяют балансиро­вать мост и регулировать коэффициент передачи схемы.