CN103728439A - 非牛顿原油剪切历史模拟实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非牛顿原油剪切历史模拟实验装置及方法；该装置包括电动机、无级变速器、计算机、温度测量采集装置和搅拌装置，所述搅拌装置包括带水浴夹套的搅拌罐及插入其中的搅拌器、围绕在搅拌罐内壁周围的热水浴加热盘管和设在搅拌罐顶部的弧形双孔浮顶，所述浮顶设有孔I和孔II，电动机连接无级变速器主动轴，无级变速器从动轴经过所述孔I连接所述搅拌器，计算机分别连接无级变速器和温度采集装置，所述温度采集装置与搅拌装置相连；本发明的有益效果：利用上述装置可测量在湍流状态下管内流动剪切、过泵高速剪切对非牛顿原油流变性的剪切作用，以及模拟完整的原油管道输送过程。

Description

非牛顿原油剪切历史模拟实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种非牛顿原油搅拌实验，尤其涉及一种非牛顿原油剪切历史模拟实验装置及方法。

背景技术

原油在管道正常输送、停输再启动过程中，管内原油温度会沿管线逐渐降低。当温度T<TZ（原油凝点）+（10～15℃），由于原油中蜡晶析出，沥青质、胶质组成的胶体颗粒体积增大，会表现出复杂的非牛顿流体物理现象，此时其流变类型为非牛顿原油。

原油管道的停输再启动是不可避免的生产过程，如果原油发生凝管事故，将会造成巨大损失。原油流变特性是影响非牛顿原油再启动规律的根本原因，管道剪切作用一定程度上可以改变原油流变性。模拟原油管道、降凝剂改性原油管道剪切和温度条件，为管道设计、运行提供可靠的数据，以及评价管输工艺方案、指导管道停输再启动过程具有十分重要的作用。国内外现有的实验装置一般为小型环道或流变仪，管内流体处于层流状态，与现场实际管道相差较大。

总而言之，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题是：如何设计一种小型的原油管道输送模拟实验装置，该装置可测量在湍流状态下管内流动剪切、过泵高速剪切对非牛顿原油流变性的剪切作用，以及模拟完整的原油管道输送过程。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种模拟大口径原油输送管道对非牛顿原油剪切作用的装置及方法，它具有体积小但是模拟流程完整、能够反应非牛顿原油的剪切状态等优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种非牛顿原油剪切历史模拟实验装置，包括电动机、无级变速器、计算机、温度测量采集装置和搅拌装置，所述搅拌装置包括带水浴夹套的搅拌罐及插入其中的搅拌器、围绕在搅拌罐内壁周围的热水浴加热盘管和设在搅拌罐顶部的弧形双孔浮顶，电动机连接无级变速器主动轴，无级变速器从动轴经过所述浮顶的孔连接所述搅拌器，计算机分别连接无级变速器和温度采集装置，所述温度采集装置与搅拌装置相连。

所述搅拌罐底部为弧形且固连有取样口，既便于取样，也便于清洗罐，不存在油样残留死角。

所述搅拌罐一侧下部设有热水浴盘管入口，另一侧上部设有热水浴盘管出口。

所述搅拌罐的高径比为1～1.2，可根据不同情况自行设计。

所述水浴夹套的一侧顶部设有冷水出口，另一侧底部设有冷水入口，热水浴加热盘管对搅拌罐内的流体加热，水浴夹套通入冷水后通过控制入口阀开关开度来控制冷水的流速，对搅拌罐内流体精确降温。

所述双孔浮顶的孔I的孔心与搅拌罐的铅垂线重合，孔II位于浮顶一侧，双孔设计限制了浮顶的径向运动和旋转转动，使其只能沿轴向运动。浮顶与原油接触面有较高的光滑度，以减少气泡附着量。弧状结构的弧度不宜太大，否则会导致浮顶高度过大，加大浮顶重量，不但浪费材料，而且给搭建实验装置带来不必要的困难。

所述温度测量采集装置包括温度传感器和设在温度传感器上的温度采集卡，所述温度传感器插入浮顶的孔II中且温度传感器的底端不与搅拌器接触。

所述搅拌器叶轮形状为锚式，叶轮底部弧度与搅拌罐底部弧度一致，叶轮底部与罐内壁的距离为1cm。

所述叶轮外边缘与热水浴加热盘管内边缘之间的距离为0.5～1cm，充分搅拌罐内流体，降低层流边界层的厚度，保证非牛顿流体在紊流条件下均匀混合，且罐内流体温度保持一致。

利用上述装置进行非牛顿原油剪切历史模拟实验的方法，是通过下列步骤来实现的：

1）首先在绝热条件下校正搅拌罐的粘性流动熵产和平均剪切率，得到平均剪切率与转速的关系曲线；

2）在计算机上设置好搅拌器的转速和各数据采集软件；

3）装入1～2L原油后，依次安装固定好浮顶、搅拌器、温度传感器和温度传感器；

4）打开热水浴加热盘管的电源开关，将流体加热至预定温度，然后打开冷水浴开关并调整其阀门开度调整温度至搅拌温度；

5）打开电动机电源，搅拌器开始搅拌，同时温度采集卡通过温度传感器进行数据采集工作；

6）管内流动剪切模拟实验，即控制平均剪切率小于100S^-1的搅拌实验：搅拌0.5～2小时后，从取样口取出15～25ml的原油，根据测到的搅拌器转速和转动扭矩，得到流体的粘性流动熵产，对流体采样测量其凝点、粘度、屈服值、触变性。；

7）高速过泵剪切模拟实验，即控制平均剪切率大于1000S^-1的搅拌实验：搅拌0.5～2小时后，从取样口取出15～25ml的原油，根据测到的搅拌器转速和转动扭矩，得到流体的粘性流动熵产，对流体采样测量其凝点、粘度和屈服值、触变性；

8）管道输送模拟实验：根据平均剪切率确定搅拌器转速，依次模拟泵站输油泵出口剪切、管内流动剪切、输油泵入口剪切的过程，所述各过程完成后分别取样测量凝点、粘度和屈服值、触变性。

本发明的有益效果：

1搅拌罐系统可以模拟经过特定剪切历史和热历史的原油流动，原油在加热和搅拌过程中，其中的轻组分会不可避免地析出，浮顶可以阻止轻组分从罐中大量挥发逸出，圆球状设计能够对轻组分的逸出起到导向作用，使其从浮顶与罐内壁间的间隙逸出，大大减小了挥发面积，同时相对于平底结构，气体不会大量积聚在浮顶底部，避免在流体表面形成气液两相流动，高光滑度的表面也能够减少轻组分气泡在接触面上的附着量，使原油性质测试结果更接近真实管道；

2搅拌器锚式叶轮底部为弧形，弧度与球形罐底弧度一致，距离为1cm，与加热盘管内边缘距离为0.5～1cm，减小了层流边界层厚度，使非牛顿流体在紊流条件下搅拌更充分，更有利于温度在原油中分布均匀一致；

3利用罐内加热盘管和冷水浴夹套能够实现精确控制油温降温速率，更符合实际生产过程中大口径原油输送管道内原油的降温过程，模拟原油管道、降凝剂改性原油管道剪切和温度条件，为管道设计、运行提供可靠的数据，以及评价管输工艺方案、指导管道停输再启动过程具有十分重要的作用。

附图说明

图1为本发明的装置示意图；

图2为本发明中搅拌罐装置结构图；

图3为本发明中搅拌器结构示意图；

图4为本发明中浮顶结构示意图。

其中，1.电动机，2.无级变速器，3.计算机，4.温度采集装置，5.取样口，6.搅拌装置，7.搅拌罐，8.搅拌器，9.水浴夹套，10.热水浴加热盘管，11，冷水入口，12，冷水出口，13.热水浴盘管入口，14.热水浴盘管出口，15.温度采集卡，16.温度传感器，17.浮顶，18.孔I，19.孔II。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种非牛顿原油剪切历史模拟实验装置，如图1-4所示，包括电动机1、无级变速器2、计算机3、温度测量采集装置4和搅拌装置6组成，所述搅拌装置6包括带水浴夹套9的搅拌罐7及插入其中的搅拌器8、围绕在搅拌罐7内壁周围的热水浴加热盘管10和设在搅拌罐7顶部的弧形双孔浮顶17，电动机1连接无级变速器2主动轴，无级变速器2从动轴经过所述浮顶17的孔连接所述搅拌器8，计算机3分别连接无级变速器2和温度采集装置4，所述温度采集装置4与搅拌装置6相连。

所述搅拌罐7底部为弧形且固连有取样口5，既便于取样，也便于清洗罐，不存在油样残留死角。

所述搅拌罐7一侧下部设有热水浴盘管入口13，另一侧上部设有热水浴盘管出口14。

所述搅拌罐7的高径比为1～1.2，可根据不同情况自行设计。

所述搅拌罐7内壁的厚度要小于其外壁，且内壁为铝合金，以利于传热，外壁为碳钢且外部包裹有绝热材料。

所述水浴夹套9的一侧顶部设有冷水出口12，另一侧底部设有冷水入口11，热水浴加热盘管10对搅拌罐7内的流体加热，水浴夹套9通入冷水后通过控制入口阀开关开度来控制冷水的流速，对搅拌罐7内流体精确降温。

所述双孔浮顶17的孔I18的孔心与搅拌罐7的铅垂线重合，孔II19位于浮顶17一侧，双孔设计限制了浮顶17的径向运动和旋转转动，使其只能沿轴向运动，弧状结构的弧度不宜太大，否则会导致浮顶高度过大，加大浮顶重量，不但浪费材料，而且给搭建实验装置带来不必要的困难。

所述温度测量采集装4包括温度传感器16和设在温度传感器上16的温度采集卡15，所述温度传感器16插入浮顶17的孔II19中且温度传感器16的底端不与搅拌器8接触。

所述搅拌器8叶轮形状为锚式，叶轮底部弧度与搅拌罐7底部弧度一致，叶轮底部与搅拌罐7内壁的距离为1cm。

所述叶轮外边缘与热水浴加热盘管10内边缘之间的距离为0.5～1cm，充分搅拌罐内流体，降低层流边界层的厚度，保证非牛顿流体在紊流条件下均匀混合，且罐内流体温度保持一致。

利用上述装置进行非牛顿原油剪切历史模拟实验的方法，是通过下列步骤来实现的：

1）首先在绝热条件下校正搅拌罐的粘性流动熵产和平均剪切率，得到平均剪切率与转速的关系曲线；

2）在计算机3上设置好搅拌器8的转速和各数据采集软件；

3）向搅拌罐7装入1L原油后，依次安装固定好浮顶17、搅拌器8、温度传感器16和温度采集卡15；

4）打开热水浴加热盘管10的电源开关，将流体加热至预定温度，然后打开冷水浴开关并调整其阀门开度调整温度至搅拌温度；

5）打开电动机1电源，开始搅拌，同时温度采集卡15通过温度传感器16进行数据采集工作；

6）管内流动剪切模拟实验，即控制平均剪切率小于100S^-1的搅拌实验：搅拌1h后，从取样口5取20ml的原油，根据测到的搅拌器8转速和转动扭矩，得到流体的粘性流动熵产，对流体采样测量其凝点、粘度和屈服值、触变性；

7）高速过泵剪切模拟实验，即控制平均剪切率大于1000S^-1的搅拌实验：搅拌1h后，从取样口5取20ml的原油，根据测到的搅拌器8转速和转动扭矩，得到流体的粘性流动熵产，对流体采样测量其凝点、粘度和屈服值、触变性；

8）管道输送模拟实验：根据平均剪切率确定搅拌器转速，依次模拟泵站输油泵出口剪切、管内流动剪切、输油泵入口剪切的过程，所述各过程完成后分别取样测量凝点、粘度和屈服值、触变性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种非牛顿原油剪切历史模拟实验装置，其特征是，包括电动机、无级变速器、计算机、温度测量采集装置和搅拌装置，所述搅拌装置包括带水浴夹套的搅拌罐及插入其中的搅拌器、围绕在搅拌罐内壁周围的热水浴加热盘管和设在搅拌罐顶部的弧形双孔浮顶，所述浮顶设有孔I和孔II，电动机连接无级变速器主动轴，无级变速器从动轴经过所述孔I连接所述搅拌器，计算机分别连接无级变速器和温度采集装置，所述温度采集装置与搅拌装置相连。

2.如权利要求1所述一种非牛顿原油剪切历史模拟实验装置，其特征是，所述搅拌罐底部为弧形且固连有取样口。

3.如权利要求1所述一种非牛顿原油剪切历史模拟实验装置，其特征是，所述搅拌罐一侧下部设有热水浴盘管入口，另一侧上部设有热水浴盘管出口。

4.如权利要求1所述一种非牛顿原油剪切历史模拟实验装置，其特征是，所述搅拌罐的高径比为1～1.2。

5.如权利要求1所述一种非牛顿原油剪切历史模拟实验装置，其特征是，所述水浴夹套的一侧顶部设有冷水出口，另一侧底部设有冷水入口。

6.如权利要求1所述一种非牛顿原油剪切历史模拟实验装置，其特征是，所述孔I的孔心与搅拌罐的铅垂线重合，孔II位于浮顶一侧。

7.如权利要求1所述一种非牛顿原油剪切历史模拟实验装置，其特征是，所述温度测量采集装置包括温度传感器和设在温度传感器上的温度采集卡，所述温度传感器插入浮顶的孔II中且温度传感器的底端不与搅拌器接触。

8.如权利要求1所述一种非牛顿原油剪切历史模拟实验装置，其特征是，所述搅拌器叶轮形状为锚式，叶轮底部弧度与搅拌罐底部弧度一致，叶轮底部与罐内壁的距离为1cm。

9.如权利要求1所述非牛顿原油剪切历史模拟实验装置，其特征是，所述叶轮外边缘与热水浴盘管内边缘之间的距离为0.5～1cm。

10.利用权利要求1-9任一项所述的装置进行非牛顿原油剪切历史模拟实验的方法，是通过以下步骤来实现的：

1）首先在绝热条件下校正搅拌罐的粘性流动熵产和平均剪切率，得到平均剪切率与转速的关系曲线；

2）在计算机上设置好搅拌器的转速和各数据采集软件；

3）装入1～2L原油后，依次安装固定好浮顶、搅拌器、温度传感器和温度传感器；

4）打开热水浴加热盘管的电源开关，将流体加热至预定温度，然后打开冷水浴开关并调整其阀门开度调整温度至搅拌温度；

5）打开电动机电源，搅拌器开始搅拌，同时温度采集卡通过温度传感器进行数据采集工作；

6）管内流动剪切模拟实验，即控制平均剪切率小于100S^-1的搅拌实验：搅拌0.5～2小时后，从取样口取出15～30ml的原油，根据测到的搅拌器转速和转动扭矩，得到流体的粘性流动熵产，对流体采样测量其凝点、粘度和屈服值、触变性；

7）高速过泵剪切模拟实验，即控制平均剪切率大于1000S^-1的搅拌实验：搅拌0.5～2小时后，从取样口取出15～30ml的原油，根据测到的搅拌器转速和转动扭矩，得到流体的粘性流动熵产，对流体采样测量其凝点、粘度和屈服值、触变性；

8）管道输送模拟实验：根据平均剪切率确定搅拌器转速，依次模拟泵站输油泵出口剪切、管内流动剪切、输油泵入口剪切的过程，所述各过程完成后分别取样测量凝点、粘度和屈服值、触变性。

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