Использование камертонного датчика для измерения вязкости в закрытом объеме

В условиях роста доли трудноизвлекаемых запасов актуальны работы, посвященные физико-химическим методам повышения нефтеотдачи пластов [1–9]. В пласт закачиваются специально разработанные гелеобразующие составы, обеспечивающие ограничение водо-– 7 – притока в добывающие скважины, выравнивание профиля приемистости для нагнетательных скважин, а также создание в пласте гелевых экранов для перераспределения фильтрационных потоков. Эти мероприятия проводятся, как правило, на месторождениях, находящихся на поздней стадии разработки, направлены на повышение коэффициента нефтеизвлечения, приводят к снижению обводненности добываемой продукции.

При лабораторных исследованиях по разработке гелеобразующих систем в ходе их применения на промысле существует потребность в исследовании и контроле динамики изменения реологических свойств объекта, однако методы классической реологии к таким системам применимы ограниченно. Наиболее перспективны неразрушающие формирующуюся структуру методы, основанные на колебательном режиме движения пробного тела – вибрационные вискозиметры и реометры, работающие в режиме осцилляции [10, 11]. Дополнительным преимуществом вибрационной вискозиметрии является широкий диапазон измерения вязкости, позволяющий в одном эксперименте охватить изменение вязкости образца при его эволюции от маловязкой ньютоновской жидкости до нетекучего структурированного геля; серийно выпускаемые устройства, позволяющие проводить измерения в осцилляционном режиме, хорошо подходят для характеристики сформировавшегося геля, однако недостаточно чувствительны в области малых вязкостей.

Техника и методика эксперимента

Для контроля реологического состояния метастабильных технологических жидкостей, в том числе закачиваемых в нефтяной пласт гелеобразующих составов, могут быть использованы вибрационные датчики вязкости [12–14]. Их выходной сигнал пропорционален (ρ·η)1/2 контролируемой жидкости, где ρ – плотность жидкости, а η – ее вязкость, однако высокодобротные камертонные устройства в традиционном варианте исполнения [15] не предназначены для измерений в закрытом объеме. Это ограничивает их применение, поскольку некоторые исследуемые составы могут быть токсичны либо содержать низкомолекулярный растворитель, испаряющийся в условиях эксперимента, и такие измерения желательно проводить в системе замкнутого объема.

Как правило, в составе такого рода девайсов выделяют собственно вибратор (обычно электрически управляемый) и пробное тело – зонд, непосредственно контактирующий с жидкостью в процессе измерения. Камертонные вискозиметры содержат в составе собственно тело камертона в виде скобы, сложная форма которой создает различные варианты присоединения зонда к разным точкам ее поверхности. Перспективным представляется симметричное присоединение зондов к основанию подвешенной на растяжках скобы (рис. 1) таким образом, что они являются продолжением ее ветвей [16], на которых расположены области возбуждения и контроля движения.

В процессе измерения зонды с пробными телами погружаются в открытый сверху сосуд. Это осложняет возможность измерения токсичных и испаряющихся во время эксперимента, жидкостей. Для устранения указанного недостатка очевидно использование закрытого измерительного объема, при этом колебательное движение должно быть передано зондам через непроницаемую для жидкости поверхность.

Так как области возбуждения и контроля движения рассматриваемого вертикально ориентированного датчика и пробные тела на концах зондов находятся по разные стороны плоскости – 8 –

Рис. 1. Подвес скобы на растяжках (слева) и присоединение пробных тел к основанию камертона (справа): 1 – скоба, 2 – пьезокерамика, 3 – зонд, 4 – пробное тело, 5 – ось камертона, 6 – растяжка, 7 – масса (корпус датчика)

Fig. 1. Taut-band suspension of the fork (at the left) and attachment of test bodies to the base of the tuning fork (at the right): 1– fork, 2 – piezoceramics, 3 – probe, 4 – test body, 5 – axis of the tuning fork, 6 – taut, 7 – mass (sensor body)

основания скобы, очевидным техническим решением является введение в состав устройства параллельной основанию разделительной стенки.

В конструкции, приведенной на рис. 2, корпус – составная обечайка разделен непроницаемой для жидкости перегородкой на два объема, один из которых является измерительным [17].

Электромеханические преобразователи установлены на ветвях скобы камертона, которая плоским основанием ориентирована к перегородке. Два цилиндрических зонда находятся в измерительном объеме по другую сторону перегородки и через отверстия в ней соединены с основанием скобы камертона. Для уменьшения площади контакта между основанием камертона и перегородкой, в местах установки зондов присутствуют две шайбы минимальной толщины, отодвигающие камертон от перегородки на минимальное расстояние, чтобы исключить возможность их соприкосновения при механических колебаниях, а площадь указанных шайб много меньше площади основания камертона.

К ножкам камертона симметрично приклеены электромеханические преобразователи из керамики ЦТС-19, соединенные проводами со схемой управления.

Мы использовали приведенную конструкцию в сочетании со схемой управления вискозиметра «Реокинетика», устройство которого описано в [18–20]. Автогенератор схемы управления обеспечивает возбуждающее напряжение резонансной частоты в диапазоне от 100 до 1000 Гц, поддерживает постоянную амплитуду движения камертона и формирует соответствующий аналоговый сигнал, который пропорционален механической нагрузке и величине (η·ρ)1/2 контролируемой среды. При не заполненном измерительном объеме, когда зонды находятся в воздухе, её значение соответствует 0.

Указанный сигнал измеряли при заполнении объема датчика органическими жидкостями с известными значениями вязкости и плотности при комнатной температуре.

Рис. 2. Камертонный датчик вязкости: 1 – измерительный объем, 2 – перегородка, 3 – объем скобы, 4 – камертон, 5 – шайба, 6 – зонд, 7 и 8 – части обечайки, 9 – крышка с штуцерами, 10 – крышка с проводами, 11 – провод, 12 – штуцер, 13 – пьезокерамика

Fig.2. Tuning fork viscosity sensor. 1 – test volume, 2 – membrane, 3 – volume of the fork, 4 – tuning fork, 5 – washer, 6 – probe, 7 and 8 – parts of the body shell, 9 – cover with fittings, 10 – cover with wires, 11 – wire, 12 – fitting, 13 –piezoceramics

Измерения проводили в следующей последовательности:

• 1.    Включили схему управления.

• 2.    Сняли крышку измерительного объема.

• 3.    Промыли и просушили измерительный объем и зонды.

• 4.    Установили крышку измерительного объема.

• 5.    Измерили U ₀ при незаполненном измерительном объеме.

• 6.    Измерительный объем заполнили 40 мл декана.

• 7.    Измерили U при заполненном измерительном объеме.

• 8.    Слили декан.

• 9.    Промыли и просушили измерительный объем и зонды.

• 10.    Измерили U 0 при незаполненном измерительном объеме.

• 11.    Измерительный объем заполнили 40 мл диэтилфталата.

• 12.    Измерили U при заполненном измерительном объеме.

• 13.    Слили диэтилфталат.

• 14.    Промыли и просушили измерительный объем и зонды

• 15.    Измерили U ₀ при незаполненном измерительном объеме.

• 16.    Измерительный объем заполнили 40 мл циклогексанола.

• 17.    Измерили U при заполненном измерительном объеме.

• 18.    Слили циклогексанол.

• 19.    Промыли и просушили измерительный объем и зонды.

• 20.    Измерили U 0 при незаполненном измерительном объеме.

В результате получена зависимость U = Uж – U 0 от заполняющей жидкости (рис. 3). Точки на графике соответствуют: 1 – декану, 2 – диэтилфталату, 3 – циклогексанолу.

Результаты и их обсуждение

На рис. 3. представлена зависимость выходного сигнала датчика от величины заполняющей жидкости (калибровочная кривая датчика). Зависимость имеет линейный вид (R=0,99), а определенная по графику чувствительность равна 0,1 В·(кг·Па·с·м-3)-0,5. Такая чувствитель-

Рис. 3. Зависимость между выходным напряжением датчика и (η·ρ)1/2 заполняющей жидкости

Fig. 3. Relationship between sensor output voltage and (η·ρ)1/2 of the fill fluid ность позволяет использовать датчик для контроля вязкости маловязких ньютоновских жидкостей, а также для реокинетических измерений в метастабильных, склонных к образованию структуры системах.

Заключение

Таким образом, рассмотрена конструкция камертонного датчика, позволяющего проводить измерения стационарной и изменяющейся вязкости образца в замкнутом измерительном объеме. Датчики предлагаемой конструкции могут быть использованы при разработке измерительных комплексов контроля реологического состояния метастабильных жидкостей, в том числе гелеобразующих составов, используемых в технологиях увеличения нефтеотдачи для ограничения водопритока и перераспределения фильтрационных потоков. Установлено, что зависимость выходного сигнала предлагаемого датчика от величины имеет линейный характер, а чувствительность датчика составляет 0,1 В·(кг·Па·с·м-3)-0,5.