專利名稱：高壓高溫粘度計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明 一般地涉及用于在高壓和高溫條件下測量樣品
的庫艾特粘度計(couette viscometer)。更具體地，本發(fā)明的粘度計被設 計為改善與操作該儀器相關的可用性、方便性以及保養(yǎng)。
背景技術：
旋轉粘度計測量由已知的剪切速率產(chǎn)生的流體剪切應 力。粘度被定義為剪切應力與剪切速率的比，通常用單位泊(Poise)表 示。剪切應力與在圓柱形物體上引起的力矩成比例，該圓柱形物體浸 入在由同中心的圓柱形表面圍繞的流體中，該同中心的圓柱形表面以 已知的速度旋轉。剪切速率是轉速和幾何形狀的函數(shù)。 —種類型的旋轉粘度計是庫艾特粘度計。在庫艾特粘度 計中，將粘度有待測量的液體填充到兩個垂直共軸的圓柱體之間的空 間中。內部圓柱體被停止，同時外部圓柱體使用計算機控制的步進電 機以恒定速率旋轉。對在內部圓柱體上導致的力矩精確地進行測量以 確定剪切應力。
井流體或者工作流體的牛頓力學或者非牛頓力學的、固相或者非固相 流體(Newtonian or non-Newtonian solid-laden or non-solid-laden fluids)
的流動特性。期望在高溫高壓下測試這些流體。 在典型的儀器中，提供能夠承受高溫高壓的壓力容器來 包含粘度計的杯子和擺錘(bob)。在進行測試后，必須將壓力容器從該 儀器去除以更換樣品流體并清洗部件。為了承受高溫和高壓，壓力容器由重型材料構造，并且因此難以去除并且不方便處理和操作。因此期望提供一種用于測量高 壓和高溫樣品的粘度計，該粘度計具有方便操作和清洗的構造。

發(fā)明內容
在本發(fā)明的粘度計中，樣品由壓力容器和塞組件包含。 由于該包含，樣品可被加熱并加壓成油井或者氣井中的模擬條件的一 部分。 一旦這些條件穩(wěn)定，則通過已知剪切速率下的剪切應力的測量 來確定樣品粘度。 本發(fā)明的粘度計優(yōu)選地為庫艾特型并且可用于確定在 油井/或氣井中用作完井流體或者工作流體的牛頓力學或者非牛頓力 學的、固相或者非固相流體的流動特性。該儀器能夠測量加熱到例如 600。F以及加壓到例如30,000 psig的樣品在各種溫度、壓力以及剪切 速率下的特性。 樣品包含在位于壓力容器中的樣品杯內。樣品杯用于將 該樣品流體,人加壓流體分離并且便于在去除塞組件時去除該樣品。 樣品杯包含例如釤鈷(SmCo)磁體組件的磁體組件、轉子 組件、熱電偶套管(thermowell)以及相關的軸承和襯墊。擺錘組件由寶 石軸承樞軸支撐。磁體組件耦合于相對的;茲體組件，該相對的磁體組 件位于壓力容器的外部，例如第二釤鈷-茲體組件。通過用步進電機以 已知的速度旋轉該外部磁體組件，引起了內部磁體以及轉子的運動。 熱電偶套管提供一種方式以便精確地測量位于擺錘組件的邊界內的 組件的中心線上的樣品溫度。 用連接在內部體積和外部體積上的高壓端口使得樣品 杯壓力均衡。因此，樣品杯不需要抵抗壓力并可以用輕質量材料(low mass)構造。對樣品杯的外表面進行滾花以改善可用性并改善傳熱。 轉子組件包括外部螺旋槽，該螺旋槽被用于隨著旋轉轉 子組件而引起樣品循環(huán)。循環(huán)路徑包括轉子組件外部的環(huán)形體積、擋 板、擺錘組件外部的環(huán)形體積、位于擺錘組件的錐形頂部的端口以及圍繞磁體組件的體積。用位于該擺錘組件上方的擋板來消除或者減少 由螺旋槽引起的樣品的角動量。由其計算剪切應力的力矩通過感測例如線性鈹銅(BeCu) 彈簧的彈簧的角位移而確定，該彈簧附接于限制在樣品杯和壓力容器
內的擺錘組件上。該彈簧的角位移用高分辨率的光學編碼器測量，該 光學編碼器使用例如由釤鈷磁體制備的^茲體組件^磁性地耦合到彈簧 上。通過適當校準彈簧，使得角位移與力矩和剪切應力相關。為了通 過減少摩擦效應來提高力矩測量的靈敏性，編碼器組件中的光學碼輪 (optical codewheel)由藍寶石軸承(sapphire jewel bearings)支撐。 使用加載到樣品杯中的已知粘性油完成儀器校準，并以 預定的剪切速率對儀器校準進行評估。由于校準油的粘度和剪切速率 以及擺錘和轉子尺寸均是已知的，因而可在各剪切速率下確定相關剪 切應力和力矩。在各剪切速率下測量所引起的鈹銅彈簧位移并將該位 移按比例放大(scale)以指示剪切應力。 一旦校準油被力口載到該儀器中， 使用該方法和合適的計算機軟件，可實現(xiàn)自動儀器校準。 測試后，在釋^L壓力并冷卻^"品后，可以將塞組件^v壓 力容器去除。 一旦去除編碼器組件和高壓管連接部件，則可旋轉該塞 組件以便脫開螺紋。例如彈性體密封件和金屬密封件的高壓密封部件 與塞組件一起去除。 一旦去除，塞組件可被傳送到塞支撐支架上。提 供塞支撐支架以便在去除樣品杯組件和樣品期間支撐該組件。 一旦樣 品被去除，還可以作為儀器清洗以及保養(yǎng)操作的常規(guī)部分而對塞進行 進一步的拆卸。 由于樣品杯壓力均衡，因而樣品杯和粘度計部件可以由 質量減小的材料構造。壓力容器保持安裝在儀器機殼中。包含粘度計 部件和樣品的樣品杯作為組件纟皮去除。該布置消除了運送壓力容器的 需要并有助于將樣品從加壓流體中分離出來。因此，本發(fā)明的粘度計 提供改善的可用性、方便性以及易保養(yǎng)性。





視圖。


圖l提供了高壓高溫粘度計的示例圖。
圖2提供了塞和容器組件的側視圖。
圖3A提供了圖2中的塞和容器組件的截面視圖。
圖3B提供了如圖3A中所示的塞和容器組件的放大截面
圖4提供了塞和容器組件的分解視圖。 圖5提供了樣品杯被去除的塞組件的俯視圖。 圖6提供了如圖5中所示的塞組件的截面視圖。 圖7提供了支撐在工作臺夾具中的塞組件的視圖。
具體實施例方式
在詳細地解釋本發(fā)明之前，重要的是理解本發(fā)明的應 用并不限于本文示出的構造細節(jié)和所描述的步驟。本發(fā)明能夠具有其 他的實施例并且能夠以各種方式來實踐或者實現(xiàn)。應當理解的是本 文中所采用的措辭和用語是為了描述目的而不是為了限制目的。 現(xiàn)在參考圖1-7，所顯示的是用于測量高溫高壓樣品的 粘度計單元IO(圖1)。粘度計單元10包括用箱封閉的機殼12。該箱容 納電子裝置14以及液壓和氣動部件16。粘度計單元10包括機殼安裝 的壓力容器18(圖1-7)，壓力容器18限定接受器(receptacle)20(圖3A， 3B)。塞組件22容納在壓力容器18的接受器20內。塞組件22包括 具有上螺紋26和下螺紋28的塞頂部24(圖3A)。塞頂部24限定中心 孔30(圖3A, 6)和與外部端口 34連通的樣品填充通道32(圖3A, 3B)。 樣品填充通道32與接近第二端部36的壓力容器18的接受器20連通 以便輸送樣品流體33?？梢栽诮M裝之前將樣品流體33放入到樣品杯 68中。樣品填充通道32被用于注入補充的樣品，從而替換進入位于 擋板64上方的環(huán)形體積中的樣品流體33。在一個優(yōu)選的實施例中，多個把手構件38從該塞頂部24突出。高壓密封蓋40(圖2， 3A， 4， 5)在樣品填充通道32的第一端部34處以螺紋連接的方式容納在塞頂部24中。塞42保持在樣品填充通道32的端口 34中并且由高壓密封蓋40保持。 帽46以螺紋連"^妄的方式容納在塞頂部24的上螺紋26上。帽46限定壓力端口 48(圖5， 6)。壓力端口 48與帽46的外部連通并且還與塞頂部24的中心孔30連通。壓力端口 48適于容納壓力流體49。對準環(huán)50(圖3A， 4)圍繞塞頂部24。用對準環(huán)50來輔助帽46中的端口 48的定向。 現(xiàn)在主要參考圖4,模塊組件52具有軸54、彈簧53以及向下延伸進入塞頂部24的中心孔30中的磁體55。彈簧磁體55磁性地與編碼器組件128耦合。高壓O形圈56圍繞塞24。金屬擋圏58圍繞位于高壓密封帽46下方的塞24。用于對準帽46的帽對準柱塞彈簧62圍繞塞24。擋板組件64固定于塞頂部24的下端部。擋板組件64設有下螺紋66。 樣品杯68以螺紋連接的方式容納在擋板組件64的下螺紋66上。樣品杯68限定在其底部表面上的螺紋孔70(圖3A)。提供樣品杯68以容納樣品流體。樣品杯68具有滾花的外部以提供抓取表面從而便于輕易將樣品杯68從擋板組件64擰下并改善傳熱。 擺錘組件72具有圓柱狀外部本體74、底部表面76以及限定多個端口 80的圓錐形頂部表面78。擺錘組件72限定向下延伸的圓柱狀突起82(圖3A, 3B)。圓柱狀突起82限定用于容納模塊組件52的軸54的下端部的接受器84。 轉子組件90圍繞擺錘組件72。轉子組件90具有圓柱形本體92。圓柱形本體92在外側表面上具有螺旋槽94。提供螺旋槽94以在旋轉轉子組件90時引起樣品流體循環(huán)。轉子組件90具有向上延伸以形成內部圓柱形突起98的底部表面96。內部圓柱形突起98支撐徑向軸浮、124,該徑向軸秀義124由熱電偶套管106和樞軸108支撐。擺錘組件72由樞軸108軸向地支撐。熱電偶套管106中的腔110提供用于中心線溫度測量(圖3B)的空間。提供擋板組件64以消除或者減少由螺旋槽94引起的樣品流體33的角動量。O形圏102(圖4)和金屬擋圈104圍繞位于壓力容器18上方的塞24。 熱電偶套管106(圖3A， 3B)以螺紋連接的方式容納在樣品杯68的螺紋孔70中。熱電偶套管106具有向上延伸的樞軸108，該樞軸108從上端部向上延伸。熱電偶套管106容納在轉子組件90的內部圓柱形突起98中。樞軸108穿過由轉子組件90的內部圓柱形突起98的上端部限定的小孔。內部磁性驅動器112位于樣品杯68中并圍繞熱電偶套管106。內部磁性驅動器112附在轉子組件90的下表面上，使得轉子組件90由內部^磁性驅動器112驅動。 樣品流體33的循環(huán)路徑114包括位于轉子組件90外部的環(huán)形體積116、擋板組件64以及位于擺錘組件72外部的環(huán)形體積118、位于擺錘組件72的錐形頂部表面78中的端口 80以及圍繞內部;茲性驅動器112的體積120。樣品填充通道32的第二端部36與環(huán)形體積118連通。 內磁套122位于熱電偶套管106和內部磁性驅動器112之間。轉子軸承124圍繞樞軸108并位于轉子組件90的內部圓柱形突起98中。軸承126(例如藍寶石軸承)(圖3B)容納在擺錘組件72的向下延伸的圓柱形突起82中。軸壽"26與熱電偶套管106的樞軸108的上表面接合。擺錘組件72由軸承126支撐，軸承126支撐在套管106的樞軸108上。編碼器組件128(圖l)容納在帽46的上表面上。 在冷卻加壓流體和樣品以及通過液壓部件16釋》文壓力后，可以將塞組件22從壓力容器18去除。 在實踐中，樣品流體33位于樣品杯68中。樣品杯68附在塞組件22上。塞組件22固定于壓力容器18上，其將樣品杯68定位在壓力容器18的接受器20中。通過穿過液壓部件16應用壓力流體49對樣品流體33進行加壓。還可使用圍繞壓力容器18的外部電阻加熱器對樣品流體33和加壓流體49進行加熱。 一旦獲得穩(wěn)定的溫度和壓力條件，則隨后可以對樣品流體33的粘度進行測量。 一旦已經(jīng)對樣品流體33進行減壓和冷卻，則可以將塞組件22與附接的樣品杯68—起去除。在一個優(yōu)選的實施例中，可以將塞組件22定位于如圖7中所示的架子中以方^f更去除樣品杯68。 因此，本發(fā)明非常適合實現(xiàn)本發(fā)明的目的并獲得上述的以及其自身固有那些結果和益處。盡管目前已經(jīng)為該發(fā)明公開的目的而描述了優(yōu)選實施例，但是許多變化和修改對于本領域的技術人員將是顯而易見的。這些變化和修改包括在由權利要求限定的本發(fā)明的精神內。
權利要求
1.一種粘度計，包括儀器機殼；壓力容器，其附在所述儀器機殼上，所述壓力容器限定接受器；塞組件，其可移動地容納在所述壓力容器的所述接受器內；樣品杯，其與所述塞組件連通，以與所述塞組件一起去除；其中所述壓力容器保持附在所述儀器機殼上，并且能夠去除所述塞組件和所述樣品杯以更換所述樣品杯中的樣品。
2. 根據(jù)權利要求1所述的粘度計，其特征在于，所述樣品杯具 有滾花的外部以便為使用者提供抓取表面并用于改善傳熱效率。
3. 根據(jù)權利要求1所述的粘度計，其特征在于， 由所述樣品杯的內部限定的內部體積；由所述樣品杯的外部和所述壓力容器的內部限定的外部體積； 其中所述內部體積和所述外部體積壓力均tf 。
4. 根據(jù)權利要求1所述的粘度計，其特征在于，所述粘度計還 包括容納在所述樣品杯內的轉子組件，所述轉子組件在外部表面上 具有用于隨著旋轉所述轉子組件而引起樣品流體循環(huán)的螺旋槽。
5. 根據(jù)權利要求1所述的粘度計，其特征在于，所述粘度計還 包括位于所述樣品杯的所迷內部體積內的轉子； 位于所述樣品杯的所迷內部體積內用于驅動所述轉子的》茲體。
6. —種粘度計，包括 限定接受器的壓力容器；容納在所述壓力容器中的樣品杯，所述樣品杯限定內部體積； 由所述樣品杯的外部和所述壓力容器的內部限定的外部體積； 其中所述內部體積和所述外部體積壓力均-衡。
7. 根據(jù)權利要求6所述的粘度計，其特征在于，所述粘度計還包括可去除地容納在所述壓力容器的所述4妄受器內的塞組件； 樣品杯與所述塞組件連通以與所述塞組件一起去除。
8. 根據(jù)權利要求6所述的粘度計，其特征在于，所述粘度計還 包括容納在所述樣品杯內的轉子組件，所述轉子組件在外部表面上具 有用于隨著旋轉所述轉子組件而？ 1起樣品流體循環(huán)的螺旋槽。
9. 根據(jù)權利要求6所述的粘度計，其特征在于，所述粘度計還 包括位于所述樣品杯的所述內部體積內的轉子； 位于所述樣品杯的所述內部體積內用于驅動所述轉子組件的磁體。
10. —種粘度計，包括 限定接受器的壓力容器；容納在所述壓力容器中的樣品杯，所述樣品杯限定內部體積； 容納在所述樣品杯內的轉子組件，所述轉子組件在外表面上具有 用于隨著旋轉所述轉子組件而51起樣品流體循環(huán)的螺旋槽。
11. 根據(jù)權利要求10所述的粘度計，其特征在于，所述粘度計 還包括可移動地容納在所述壓力容器的所述接受器內的塞組件； 所述樣品杯與所述塞組件連通以與所述塞組件一起去除。
12. 根據(jù)權利要求10所述的粘度計，其特征在于， 由所述樣品杯的內部限定的內部體積；由所述樣品杯的外部和所述壓力容器的內部限定的外部體積； 其中所述內部體積和所述外部體積壓力均tf 。
13. 根據(jù)權利要求10所述的粘度計，其特征在于，所述粘度計 還包括位于所述樣品杯的所述內部體積內用于驅動所述轉子組件的磁體。
14. 一種粘度計，包括 限定接受器的壓力容器；容納在所述壓力容器的所述接受器中的樣品杯，所述樣品杯限定內部體積；位于所述樣品杯的所述內部體積內的;茲體。
15. 根據(jù)權利要求14所述的粘度計，其特征在于，所述粘度計 還包括可移動地容納在所述壓力容器的所述接受器內的塞組件； 所述樣品杯與所述塞組件連通以與所述塞組件一起去除。
16. 根據(jù)權利要求14所述的粘度計，其特征在于，所述粘度計 還包括位于所述樣品杯內的轉子組件，所述轉子組件在外表面上具有用 于隨著旋轉該轉子組件而S1起樣品流體循環(huán)的螺旋槽，所述轉子組件 由所述磁體驅動。
17. 根據(jù)權利要求14所述的粘度計，其特征在于，所述粘度計 還包括由所述樣品杯的所述內部限定的所述內部體積； 由所述樣品杯的外部和所述壓力容器的內部限定的所述外部體積；其中所述內部體積和所述外部體積壓力均^f 。
18. —種操作粘度計的方法，包括 使得樣品流體位于樣品杯中； 將所述樣品杯附在塞組件上； 使得所述樣品杯位于所述壓力容器中； 對所述樣品流體進4于加熱和加壓；測量所述樣品流體的粘度； 對所述樣品流體進行冷卻和減壓；將所迷塞組件和所述樣品杯從所述壓力容器去除。
19.根據(jù)權利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法還包 括步驟將所述塞組件和所述樣品杯定位在架子中，以^更于接近所述樣品杯。
全文摘要
本發(fā)明涉及高壓高溫粘度計，更具體地，本發(fā)明涉及一種用于確定牛頓力學的或者非牛頓力學的、固相或者非固相流體的流動特性的庫艾特粘度計，其中該流體在油井和/或氣井中被用作完井流體或者工作流體。該儀器能夠測量例如被加熱到600℉/316℃以及被加壓到例如30,000psig/207MPa的樣品在各種溫度、壓力以及剪切速率下的特性。壓力容器安裝在儀器的機殼中并且包含粘度計部件的容器塞以及樣品可以作為組件被去除。該布置降低了塞組件的質量，消除了運送壓力容器的需要并且有助于從加壓流體分離該樣品。最后，該布置改善了與操作該儀器有關的可用性、方便性以及保養(yǎng)。
文檔編號G01N11/14GK101685058SQ200910178698
公開日2010年3月31日 申請日期2009年9月18日 優(yōu)先權日2008年9月19日
發(fā)明者B·R·艾恩利, J·J·小穆恩 申請人:錢德勒儀器有限責任公司