Способ определения концентрации газа в жидкости

Способ предусматривает определение концентрации газа в жидкости методом дегазации пробы жидкости и замера количества выделенного газа химическим индикатором. К существующей схеме анализа добавлена газосборная камера, в которую собирается газовоздушная смесь (ГВС), полученная в процессе экстракции искомого газа. В дегазированной пробе жидкости определяется остаточное количество газа, а на анализ из камеры с ГВС отбирается значительно меньшая часть газовоздушной смеси. Концентрация газа в пробе жидкости определяется по формуле на основании всего выделенного из пробы жидкости газа с учетом доли объема ГВС, взятой на физико-химический анализ. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения концентрации газа в жидкости и снижение стоимости анализа за счет экономии индикаторных трубок. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к способам измерения количественного содержания растворенного газа в нефтепромысловой жидкости и может быть использовано при поиске, добыче, подготовке и транспортировке нефти и воды.

Известен общемировой способ определения содержания растворенного в жидкости газа, заключающийся в экстракции газа из жидкости путем барботажа и измерении количества выделенного газа с помощью индикаторной трубки (справочник по Drader-Tube/CMS: Справочное руководство по измерениям при анализе почвы, воды и воздуха, а также технических газов, 12-е издание, п.2.14, стр.42. - Любек, 2003. - 294 с.). Данная методика рассчитана на помещение в калиброванную экстракционную бутыль пробы воды значительного объема - до 200 мл, поэтому при повышенной концентрации газа в жидкости потребуется для анализа большое количество измерительных трубок. Вторым недостатком является то, что в измерительные трубки поступает газовоздушная смесь (ГВС) порциями одного объема (рабочий объем насоса), но содержание искомого газа в каждой порции является величиной непостоянной. Максимальное содержание газа в первой порции ГВС ведет к тому, что при установленной скорости прокачивания ГВС через трубку искомый газ проходит через измерительную трубку, не полностью прореагировав с химическим веществом трубки. Это ведет к завышению содержания газа в пробе жидкости.

Аналогичным недостатком обладает методика, основанная на различных вариантах применения устройства для определения концентрации газа в жидкости по патенту РФ на изобретение №2181882 (опубл. 27.04.2002, бюл. №12). В отличие от метода экстракции фирмы Drader с помощью последнего устройства возможно на анализ отбирать пробу жидкости малого объема - до 1 мл, разбавлять этот объем инертной жидкостью (вода, керосин) до необходимого объема (7÷40 мл) и также экстрагировать из него искомый газ. Многочисленные исследования проб нефти с повышенным содержанием сероводорода (до 1000 мг/л и более) с помощью устройства по патенту №2181882 показали, что содержание H₂S в потоке ГВС в начале экстракции столь велико, что стандартная индикаторная трубка H₂S - 0,0066 окрашивается неравномерно и укоренным темпом. Это ведет к определенному завышению концентрации газа в жидкости. К тому же на проведение анализа требуемся несколько дорогостоящих индикаторных трубок.

Технической задачей изобретения является повышение точности анализов методом экстракции газа из пробы жидкости при одновременном удешевлении одного анализа. Эта задача решается по известному способу определения концентрации газа в жидкости путем экстракции газа из жидкости и пропуске газовоздушной смеси (ГВС) через индикаторную трубку тем, что предварительно ГВС собирают в газоотборную камеру, определяют остаточное количество газа в пробе жидкости, также определяют количество газа в значительно меньшей части ГВС в газоотборной камере, а концентрацию газа в жидкости определяют по формуле:

$$С=\frac{К}{V_{ж}}\left(n_{ост}+n_{ан}\cdot \frac{V_{ГВС}}{V_{ан}}\right),\left(1\right)$$

где С - концентрация газа в жидкости;

К - комплексная постоянная, зависит от свойств газа и температуры среды;

n_ост - остаточное количество газа в пробе жидкости после экстракции газа;

V_ГВС - объем газовоздушной смеси в газоотборной камере;

V_ан - объем ГВС из газоотборной камеры, взятой на анализ (V_ан<<V_ГВС);

n_ан - количество газа в объеме V_ан.

На анализ из газоотборной камеры отбирается такой объем V_ан, который бы обеспечил представительность анализа, в частности, по колориметрической оценке показание с индикаторной трубки должно сниматься во второй его половине.

На фиг.1; 2 и 3 дана последовательность осуществления предложенного способа согласно сущности изобретения.

На фиг.1 изображен процесс извлечения (экстракции) газа из пробы жидкости и сбора полученной ГВС в пробоотборную камеру. На чертеже: 1 - дегазационная камера с пробой жидкости; 2 - запорные краны; 3 - насос со встроенным счетчиком ГВС; 4 - газоотборная камера приемлемой конструкции.

На фиг.2 изображена проверка наличия остаточного содержания газа в пробе жидкости после его длительной дегазации с помощью индикаторной трубки 5.

На фиг.3 показан процесс отбора из камеры 4 объемом V_ГВС на анализ через трубку 5 значительно меньшего объема ГВС - V_ан.

Способ определения концентрации газа в жидкости реализуется следующими процессами.

1. В дегазационную камеру 1 отбирают пробу жидкости объемом V_ж.

2. С помощью насоса 3 по его встроенному счетчику в предварительно пустую газоотборную камеру 4 закачивают газовоздушную смесь объема V_ГВС. Ранее в заявке отмечалось, что первые порции ГВС содержат высокую концентрацию искомого газа, а последние порции - его не содержат. В камере 4 образуется газовоздушная смесь из воздуха и искомого газа с одной и постоянной во всех точках камеры концентрацией. На этом известном законе состояния идеальных и реальных газов и построена новизна и сущность изобретения: на химический (колориметрический) анализ достаточно отобрать меньшую и известную часть $$\left(\frac{V_{ан}}{V_{ГВС}}\right)$$ всего объема газовоздушной смеси.

3. Определяют остаточное количество газа n_ост в пробе жидкости, например, с помощью индикаторной трубки 5 (фиг.2) путем дальнейшего продолжения экстракции газа до полной дегазации жидкости по искомому газу. Как правило, после разбавления пробы жидкости с высокой концентрацией искомого газа и дегазации полученного раствора пробы объемом 7÷10 мл с помощью инертного газа (воздуха) объемом 1000 мл (1 литр) в исследуемой пробе полностью отсутствует искомый газ, в частности сероводород, т.е. n_ост=0. Такая процедура необходима для того, чтобы убедиться в том, что весь газ из пробы жидкости из дегазационной камеры 1 переведен в газоотборную камеру 4.

4. Насосом 3 на анализ, например, через индикаторную трубку 5, из камеры 4 отбирают значительно меньшую часть V_ГВС, но такой величины, чтобы полученный результат был представительным, в частности по индикаторной трубке оценка колориметрического показания n_ан должна производиться во второй половинке трубки.

5. Для определения всего количества искомого газа в камере 4 необходимо n_ан умножить на V_ГВС/V_ан (правило пропорций).

6. Величину концентрации газа в жидкости определяют по формуле (1).

Сущность технического решения заключается в следующем. В газоотборную камеру 4 поступает ГВС с различной концентрацией искомого газа, но после заполнения камеры 4 ГВС по составу становится однородной. Важным является то, что концентрация искомого газа, в составе ГВС в камере 4 становится значительно ниже, чем в первой порции ГВС, взятой на анализ, в частности через индикаторную трубку, по существующей методике.

По изобретению достигается двойной положительный эффект. Во-первых, повышается точность анализа, в частности, в индикаторной трубке наблюдается качественное и полное окрашивание вещества в трубке за счет снижения концентрации искомого газа в ГВС. Во-вторых, на один анализ пробы потребуется всего две индикаторные трубки: первая для оценки показателя n_ост, вторая - для определения n_АН. При анализе такой пробы по существующей методике (работа с устройством по патенту РФ №2181882) необходимо весь объем ГВС пропустить через индикаторные трубки. В зависимости от концентрации газа в жидкости трубок потребуется до 10 и более. Для сравнения оценим содержание сероводорода в нефти существующим способом и предложенным по заявке.

Исходные данные:

1. Содержание H₂S в пробе нефти по ГОСТ Р 50802 - 740 мг/л (822 ррm).

2. Объем пробы нефти V_ж - 1,0 мл.

3. Насос для дегазации - аспиратор АМ-5.

4. Объем пропуска ГВС за 1 качок АМ-5-100 мл.

5. Температура пробы и среды Т_п=293 К (20°С).

6. Комплексная постоянная К=1,41.

$$K=\frac{M}{V_{а}}\cdot \frac{T_o}{T_{п}},$$

где М - мольный вес H₂S; М=34 г/моль;

V_a - объем 1 моль газа при T₀=273⁰К (0⁰С); V_a=22,4 литра.

На анализ по существующему способу потрачено 9 индикаторных трубок H₂S - 0,0066: 8 полных до отметки 66 и девятая до отметки 42. Общее показание n=8×66+42=570 г.

$$C=K\cdot \frac{n}{V_{ж}}=\frac{\mathrm{1,41}\cdot 570г}{1мл}=804г/мл$$

На анализ по предложенному способу потрачено 2 индикаторные трубки H₂S - 0,0066: по первой n_oст=0, по второй n_ан=50 г, причем V_ГВС=1000 мл; V_ан - 100 мл (1 качек АМ-5). По формуле (1) имеем:

$$C=\frac{\mathrm{1,41}}{1мл}\left(0+50г\cdot \frac{1000мл}{100мл}\right)=705г/мл$$

Относительные расхождения (погрешность анализа) между существующим способом и ГОСТ Р 50802 8,6% $$\left(100\%\cdot \frac{804-740}{740}\right).$$

Относительные расхождения между предложенным способом и ГОСТ Р 50802 равно 4,7% $$100\%\cdot \frac{740-705}{740}$$

Для удобства сравнения полученные результаты сведем в таблицу:

	Параметр	Существующий способ по патенту №2181882	Предложенный способ
1	Концентрация H2S в пробе нефти (мг/л), (за истину принят результат по ГОСТ Р 50802: С=740 мг/л)	804	705
2	Количество индикаторных трубок на один анализ, штук	9	2
3	Стоимость одного анализа, руб. (цена одной трубки - 25 руб.)	225	50
4	Время на один анализ, мин	12	12
5	Погрешность анализа (относительные расхождения с результатом по ГОСТ Р 50802)	8,6	4,7

Проведенные результаты свидетельствуют о том, что предложенный способ оценки H₂S в пробе жидкости с высоким его содержанием решает поставленную техническую задачу - повышается точность анализа при одновременном удешевлении одного анализа. Отметим, что повышение точности анализа достигнуто за счет снижения концентрации сероводорода в объеме НВС, взятого на анализ. Это ведет к качественной реакции химического вещества в индикаторной трубке, а именно - трубка окрашивается равномерно и полностью.

Удешевление анализа обеспечивается тем, что собственно через индикаторную трубку пропускается только фиксированная часть газовоздушной смеси, полученной при экстракции искомого газа из пробы жидкости.

1. Способ определения концентрации газа в жидкости, заключающийся в экстракции газа из пробы жидкости и пропуске полученной газовоздушной смеси через индикаторную трубку, отличающийся тем, что газовоздушную смесь объемом - V_ГВС собирают в газоотборную камеру, определяют остаточное количество газа в пробе жидкости - n_ост, также определяют количество газа в значительно меньшей части ГВС в газоотборной камере - V_ан, а концентрацию газа в жидкости определяют по формуле:
$$C=\frac{K}{V_{ж}}\left(n_{ост}+n_{ан}\frac{V_{гвс}}{V_{ан}}\right),$$
где С - концентрация газа в жидкости;
К - комплексная постоянная;
V_ж - объем пробы жидкости;
n_ост - остаточное количество газа в пробе после барботажа;
V_ГВС - объем газовоздушной смеси (ГВС) в газоотборной камере;
V_ан - объем ГВС из газооотборной камеры, взятый на анализ;
n_ан - количество газа в анализируемом объеме V_ан.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на анализ из газооотборной камеры берут такой объем ГВС - V_ан, который обеспечит представительность анализа по показателю n_ан, в частности показание по индикаторной трубке по колориметрической оценке должно сниматься во второй его половине.