CN103105482A - 一种胶凝原油压缩特性测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明胶凝原油压缩测试方法按国际专利分类表（CIP）划分属于物理部，仪器分部，测量；测试大类，借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料小类，利用不包括在G01N1/00至G01N31/00组中的特殊方法来研究或分析材料大组，油；黏性液体；油漆；墨水领域。目的是解决胶凝原油压缩特性的测试问题，由压缩系统和管路循环系统组成。原油在环形管道循环系统中经历特定热历史和剪切历史后达到测试温度；将环形管道处理后的原油置换进入具有变径结构特征的压缩室，油样按照指定的降温速率静置至形成胶凝结构后进行压缩测试，压缩系统中的压力信号、位移信号以及温度信号被传输到信号处理系统，用于计算胶凝原油的压缩特性。

Description

一种胶凝原油压缩特性测试方法

（一）技术领域

本新型胶凝原油压缩测试方法按国际专利分类表（CIP）划分属于物理部，仪器分部，测量；测试大类，借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料小类，利用不包括在G01N 1/00至G01N 31/00组中的特殊方法来研究或分析材料大组，油；黏性液体；油漆；墨水领域。

（二）背景技术

胶凝原油的压缩性是非常重要的，其有助于确定管道再启动的压力传播速度、顶挤液清洗原油所需时间，更重要的是能确定管线能否被完全清洗。根据质量守恒原理推导出水击压力波传播速度的基本表达形式为^[1]：

$a=\sqrt{\frac{K/\mathrm{\ρ}}{1+\frac{\mathrm{K\ΔA}}{\mathrm{A\ΔP}}}}---\left(1\right)$

式（1）表示压力波速与液体的弹性系数K、密度ρ和管材的弹性ΔA/ΔP有关。

热油管道停输后，管内油品降温收缩，会产生油蒸汽空间，张国忠教授从质量守恒的原则出发，推导出热油管道停输后初始启动压力波传播速度的计算公式^[2]：

$a=\sqrt{\frac{K/\mathrm{\ρ}}{1+\frac{\mathrm{KD}}{E3}C+\frac{K{\mathrm{\β}}_t\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\ΔP}}}}---\left(2\right)$

式中：D为管径，m；E为管道的弹性模量，Pa；e为管道壁厚，m；C为管道敷设约束系数；β_t为热油密度变化的温度系数，kg/(m³·℃)；ΔT为停输过程中的温降，℃；ΔP为初始启动压力，Pa。式（2）表明热油管道停输后初始启动压力波速与热油的弹性系数K、密度ρ、管材的弹性和原油的降温等因素有关。压缩系数F=1/K，由上述压力波速度公式可知，研究原油的压缩性对于研究压力波传播速度是非常有意义的。

真实的输油管道中，随着温度降低原油表现出非牛顿流体特性，经历了剪切历史和热历史的交互影响，非牛顿原油的性质已经发生了改变^[3]；停输后沿管道轴向不同位置处的胶凝原油所经历的流动剪切时间和热历史不同，导致最终形成的胶凝原油性质存在差异^[4]。原油压缩性沿管道轴向也存在差异。对于一个完整的输油管道，计算启动压力传播时，需要根据油品性质将管道沿轴向微元化^[5]，每个微元段的原油性质直接是计算的基础数据，测量每个微元段的原油性质是关键。

对胶凝原油压缩性测试方法的研究，目前存在的技术问题：

第一，前人研究对象通常是液体或者固体，液体和固体压缩特性的测试已经非常成熟。同样，对于液态原油压缩性的测试，前人也进行了大量的研究。但是，对于与管道启动压力传播直接相关的胶凝原油压缩特性的研究几乎没有涉及。原油温度低于凝点时，内部会出现胶凝结构，胶凝原油是一种介于液体和固体之间的软物质，具有一定的结构强度，当受到外力压缩时，内部压力分布不再符合帕斯卡定律，即压力不能大小不变地传递到胶凝原油各个位置处，胶凝原油被施加压力后，远离施压点的位置处压力是逐渐升高的；

第二，没有将剪切历史和热历史对胶凝原油性质的影响考虑进去。

（三）发明内容

本新方法的目的是有效的解决胶凝原油压缩特性的测试问题。

为解决上述问题，本新方法采用的技术方案是这样实现的：原油在环形管道循环系统中经历特定热历史和剪切历史后达到测试温度；将环形管道处理后的原油置换进入具有变径结构特征的压缩室，油样按照指定的降温速率静置至形成胶凝结构后进行压缩测试，压缩系统中的压力信号、位移信号以及温度信号被传输到信号处理系统，用于计算胶凝原油的压缩特性。

该胶凝原油压缩特性测试方法的有益效果是：实现了胶凝原油压缩特性的测试；在对胶凝原油压缩特性测试过程中，考虑了流动剪切历史和热历史对胶凝原油性质的影响；减小了“压缩性测试过程中活塞施加压力在胶凝原油内传播慢、各处压力值不等”这一不利因素的影响。相比最接近的现有技术有二优点和改进：

第一，压缩室旁接环形管道，环形管道可以模拟原油流动剪切历史和热历史，并可以将经过特定剪切历史和热历史的原油置换进入压缩室进行压缩实验测量，使原油性质测试结果更接近真实管道；

第二，压缩室由大直径油缸、小直径油缸和过渡段油缸组成，沿活塞施压方向油缸口径逐渐扩大，更有利于压力在具有胶凝结构的原油中的传播。

（四）附图说明

图1是本测试方法的装置流程示意图。

图2是图1中所示压缩室的结构示意图。

各部分标号说明：

1 高架罐  2 压缩室  3 水浴套  4 水浴槽  5蠕动泵6 压缩室入口阀  7 压缩室出口阀  8高架罐入口阀  9高架罐出口阀  10压缩室旁通阀  11高架罐旁通阀  12 蠕动泵旁通阀  13 流量计  14 环形管道  15 排液阀  16紧固螺母  17 密封垫圈  18 紧固螺栓  19 压缩室入口20 压缩室外壁  21 大直径油缸  22 压缩室出口  23拉压丝杠  24 差动变压器式位移传感器  25 压缩室盖板26 活塞  27 压力传感器  28 小直径油缸  29 过渡段油缸  30 温度传感器  31 步进电机。

（五）具体实施方式

下面结合附图，对胶凝原油压缩特新测试方法的实现做进一步的说明：

如图1所示，本测试方法的装置由高架罐1、压缩室2、水浴套3、水浴槽4、蠕动泵5、压缩室入口阀6、压缩室出口阀7、高架罐入口阀8、高架罐出口阀9、压缩室旁通阀10、高架罐旁通阀11 、蠕动泵旁通阀12、流量计13、环形管道14和排液阀15组成。

开启压缩室入口阀6、压缩室出口阀7、压缩室旁通阀10，打开高架罐入口阀8、高架罐出口阀9，往高架罐1内注入原油，开启排液阀15使原油自流充满环形管道14和压缩室2。打开电源，加热水浴槽4和水浴套3，开启蠕动泵5，使原油在管道系统内加热循环。控制加热温度和循环时间，确保将管路系统内各处的气体排至高架罐内，以免影响原油压缩性的测量。排气操作过程中，每隔一段时间，打开高架罐旁通阀11和蠕动泵旁通阀12并保持开启状态约半分钟，以排出可能积聚阀门附近的气体。

排气操作结束后，模拟原油在管道中的流动情况。保持压缩室旁通阀10和高架罐旁通阀11开启状态，关闭压缩室入口阀6、压缩室出口阀7、高架罐入口阀8、高架罐出口阀9，调节蠕动泵5的频率和蠕动泵旁通阀12的开度，使流量计13的读数和模拟剪切所需的流量一致，同时控制水浴槽4的降温速率，模拟实际管道内原油温降过程。控制水浴套3的温度，保持压缩室2内的原油与环形管道14内原油近似的降温速率，并保证压缩室2内原油温度不低于原油凝点。

当环形管道14内原油流动时间到达给定模拟剪切流动时间后，开启压缩室入口阀6和压缩室出口阀7，关闭压缩室旁通阀10，经过Δt段时间停泵。Δt满足Δt＞V/Q，V是压缩室2的容积，Q是流量计13指示的流量。为了保证压缩室2内的原油全部被环形管道14内的原油替换，宜控制Δt≈2V/Q。为防止从压缩室2排出的原油经环形管道14重新进入压缩室2，环形管道14的总容积宜不小于3V。

如图2所示，压缩室2由紧固螺母16、密封垫圈17、紧固螺栓18、压缩室入口19、压缩室外壁20、大直径油缸21、压缩室出口22、拉压丝杠23、差动变压器式位移传感器24、压缩室盖板25、活塞26、压力传感器27、小直径油缸28、过渡段油缸29、温度传感器30和步进电机31组成。

原油从压缩室入口19进入小直径油缸28，逐渐将过渡段油缸29和大直径油缸21内的原油从压缩室出口22排出，压缩室入口19和压缩室出口22的直径相对于油缸的口径很小，并且压缩室入口阀6和压缩室出口阀7安装位置距离压缩室外壁20很近，所以可以忽略压缩室入口19和压缩室出口22内的原油体积对压缩实验的影响。压缩室外壁20和压缩室盖板25之间安装密封垫圈17，并通过紧固螺栓18和紧固螺母16固定连接，压缩室盖板25开有安装孔，用于安装固定拉压丝杠23和差动变压器式位移传感器24。差动变压器式位移传感器24为回弹式位移传感器，其外套固定在压缩室盖板25上，测量头与活塞26紧密接触，可精确测量活塞26的位移。拉压丝杠23与活塞26连接，可以将拉压丝杠23自身的旋转运动转变为活塞26的直线运动，拉压丝杆23外接步进电机31，通过调节信号发生器单位时间发出的脉冲数，可以改变步进电机31的转速，进而调整伸缩速度，可以实现活塞26拉压的可控性操作。每次加压测试前采用相同的脉冲数将活塞26拉至同一位置，使得活塞26的密封圈初始形态一致，减小对压缩实验的影响。活塞26的初始位置应较靠近压缩室盖板25方向，以确保压缩过程中活塞26有足够的移动空间。

待经历剪切历史和热历史的原油将压缩室2内的原油置换完全后，根据温度传感器30测量结果调节水浴套3，模拟真实管道原油停输之后静态温降过程，以指定降温速率降至待测温度。利用步进电机31控制活塞26位移，利用差动变压器式位移传感器24连续采集位移信息，同时利用压力传感器27连续采集压力信息，以此计算胶凝原油的压缩特性。

实测压缩系数的计算公式可以表示为：

$F_b=\frac{A\·\mathrm{\Δl}-(\mathrm{\Δ}{V}_2-\mathrm{\Δ}{V}_1)}{V_0\·(P_2-P_1)}---\left(3\right)$

式中：F_b为原油的压缩系数，Pa^-1； A为活塞截面积， m²； Δl为活塞的位移差，Δl=L₂-L₁，m；L₁，L₂为活塞的位移，m； V₀为活塞26初始位移状态下的压缩室2的体积，m³； P₁，P₂为对应于位移L₁，L₂的压力，Pa；ΔV₁、ΔV₂是对应于压力P₁、P₂时的筒体体积变形量，m³。活塞26的弹性变形影响可以忽略。对于筒体体积变形量，可以使用ANSYS软件求解。按压缩室筒体的实际尺寸，建立几何图形；定义筒体各部分的材料性质，如密度、杨氏模量、泊松比，进行网格划分；施加垂直于压缩室外壁20内表面向外的压力，为得到筒体变形与压力的关系，设定不同的压力进行多次计算；求解得出不同压力作用下筒体内侧面各点的径向位移、轴向位移、封头内侧各点的总位移；筒体的原始尺寸已知，内表面各点的位移变化量也已求得，通过积分以及简单的数学运算就可以得出ΔV。

参考文献

[1] 张国忠. 管道瞬变流动分析[M]. 东营：中国石油大学出版社，2008:p10-p11.

[2] 张国忠，安家荣.热油管道停输后初始启动压力波速的计算[J].石油大学学报（自然科学版），1999；23(1)：72-73.

[3] 李传宪. 原油流变学[M]. 东营：中国石油大学出版社，2007：p144-p163.

[4] 杨筱蘅. 输油管道设计与管理[M].东营：中国石油大学出版社，2006：p252-p254.

[5] 肖文涛, 张国忠, 刘刚等. 胶凝原油管道恒流量启动过程中的启动波速[J]. 石油学报, 2012, 33(3):487-492.

Claims (4)

1.一种胶凝原油压缩特性测试方法，主要流程包括环形管道（14），环形管道（14）上安装有流量计（13）和蠕动泵（5），环形管道（14）旁接压缩室（2）和高架罐（1），环形管道（14）外设置有水浴槽（4），压缩室（2）外设置有水浴套（3），其特征在于：原油首先在温度可控的环形管道（14）内经历特定的剪切历史和热历史，之后在压缩室（2）内经历特定的静态降温至胶凝，最后在具有变径结构特征的压缩室（2）内进行压缩特性测试。

2.如权利要求1所述的一种胶凝原油压缩特性测试方法，其特征在于活塞（26）施加压力的方向沿小直径油缸（28）至大直径油缸（21）方向。

3.如权利要求1所述的一种胶凝原油压缩特性测试方法，其特征在于利用步进电机（31）带动拉压丝杠（23）精确控制活塞（26）的密封圈初始位置。

4.如权利要求1所述的一种胶凝原油压缩特性测试方法，其特征在于差动变压器式位移传感器（24）为回弹式位移传感器，保持其测量头与活塞（26）紧密接触、位移相同。

Images