[发明专利]高压高温粘度计

说明书

技术领域

[0001]本发明一般地涉及用于在高压和高温条件下测量样品的库艾特粘度计(couette viscometer)。更具体地，本发明的粘度计被设计为改善与操作该仪器相关的可用性、方便性以及保养。

背景技术

[0002]旋转粘度计测量由已知的剪切速率产生的流体剪切应力。粘度被定义为剪切应力与剪切速率的比，通常用单位泊(Poise)表示。剪切应力与在圆柱形物体上引起的力矩成比例，该圆柱形物体浸入在由同中心的圆柱形表面围绕的流体中，该同中心的圆柱形表面以已知的速度旋转。剪切速率是转速和几何形状的函数。

[0003]一种类型的旋转粘度计是库艾特粘度计。在库艾特粘度计中，将粘度有待测量的液体填充到两个垂直共轴的圆柱体之间的空间中。内部圆柱体被停止，同时外部圆柱体使用计算机控制的步进电机以恒定速率旋转。对在内部圆柱体上导致的力矩精确地进行测量以确定剪切应力。

[0004]库艾特粘度计可以被用于确定在油井/或气井中用作完井流体或者工作流体的牛顿力学或者非牛顿力学的、固相或者非固相流体(Newtonian or non-Newtonian solid-laden or non-solid-laden fluids)的流动特性。期望在高温高压下测试这些流体。

[0005]在典型的仪器中，提供能够承受高温高压的压力容器来包含粘度计的杯子和摆锤(bob)。在进行测试后，必须将压力容器从该仪器去除以更换样品流体并清洗部件。

[0006]为了承受高温和高压，压力容器由重型材料构造，并且因此难以去除并且不方便处理和操作。因此期望提供一种用于测量高压和高温样品的粘度计，该粘度计具有方便操作和清洗的构造。

发明内容

[0007]在本发明的粘度计中，样品由压力容器和塞组件包含。由于该包含，样品可被加热并加压成油井或者气井中的模拟条件的一部分。一旦这些条件稳定，则通过已知剪切速率下的剪切应力的测量来确定样品粘度。

[0008]本发明的粘度计优选地为库艾特型并且可用于确定在油井/或气井中用作完井流体或者工作流体的牛顿力学或者非牛顿力学的、固相或者非固相流体的流动特性。该仪器能够测量加热到例如600°F以及加压到例如30,000psig的样品在各种温度、压力以及剪切速率下的特性。

[0009]样品包含在位于压力容器中的样品杯内。样品杯用于将该样品流体从加压流体分离并且便于在去除塞组件时去除该样品。

[0010]样品杯包含例如钐钴(SmCo)磁体组件的磁体组件、转子组件、热电偶套管(thermowell)以及相关的轴承和衬垫。摆锤组件由宝石轴承枢轴支撑。磁体组件耦合于相对的磁体组件，该相对的磁体组件位于压力容器的外部，例如第二钐钴磁体组件。通过用步进电机以已知的速度旋转该外部磁体组件，引起了内部磁体以及转子的运动。热电偶套管提供一种方式以便精确地测量位于摆锤组件的边界内的组件的中心线上的样品温度。

[0011]用连接在内部体积和外部体积上的高压端口使得样品杯压力均衡。因此，样品杯不需要抵抗压力并可以用轻质量材料(lowmass)构造。对样品杯的外表面进行滚花以改善可用性并改善传热。

[0012]转子组件包括外部螺旋槽，该螺旋槽被用于随着旋转转子组件而引起样品循环。循环路径包括转子组件外部的环形体积、挡板、摆锤组件外部的环形体积、位于摆锤组件的锥形顶部的端口以及围绕磁体组件的体积。用位于该摆锤组件上方的挡板来消除或者减少由螺旋槽引起的样品的角动量。

[0013]由其计算剪切应力的力矩通过感测例如线性铍铜(BeCu)弹簧的弹簧的角位移而确定，该弹簧附接于限制在样品杯和压力容器内的摆锤组件上。该弹簧的角位移用高分辨率的光学编码器测量，该光学编码器使用例如由钐钴磁体制备的磁体组件磁性地耦合到弹簧上。通过适当校准弹簧，使得角位移与力矩和剪切应力相关。为了通过减少摩擦效应来提高力矩测量的灵敏性，编码器组件中的光学码轮(optical codewheel)由蓝宝石轴承(sapphire jewel bearings)支撑。

[0014]使用加载到样品杯中的已知粘性油完成仪器校准，并以预定的剪切速率对仪器校准进行评估。由于校准油的粘度和剪切速率以及摆锤和转子尺寸均是已知的，因而可在各剪切速率下确定相关剪切应力和力矩。在各剪切速率下测量所引起的铍铜弹簧位移并将该位移按比例放大(scale)以指示剪切应力。一旦校准油被加载到该仪器中，使用该方法和合适的计算机软件，可实现自动仪器校准。