CN105588922A - 一种原油中co2溶解度与泡沫稳定性测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种原油中CO₂溶解度与泡沫稳定性测试装置及方法，包括注气部、入口压力调控部、泡沫测试部和出口压力调控部，通过入口压力调控部两级阀门的联合调节可以精确控制透明反应釜内的压力，利用恒温水浴和透明水套间的循环水对透明反应釜进行精确控温，利用气体流量计可以精确计量注入透明反应釜的CO₂体积，进而得到设定温度和压力条件下原油中CO₂的溶解度。透明反应釜筒体为透明材质以实现泡沫稳定状态的可视化观测。本发明能够模拟溶气原油的实际分离工艺，能够对不同温度和压力条件下原油中CO₂的溶解特性和CO₂泡沫的稳定特性进行测试和评价，具有控制精确，测量准确的优点，实现对分离工艺关键参数的优选，为分离设备的优化设计和高效运行提供依据。

Description

一种原油中CO2溶解度与泡沫稳定性测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种原油中CO₂溶解度与泡沫稳定性测试装置及方法，用于测试评价不同温度和压力条件下原油中CO₂的溶解特性与CO₂泡沫的稳定特性。本发明属于油气集输系统多相分离技术领域。

背景技术

CO₂驱油技术作为一项日趋成熟的采油技术，逐渐在国内外油田开发中所采用。油田开发实践表明，CO₂驱油技术是提高采收率、降低生产成本和封存CO₂的有效手段。但是，运用该技术采出的原油中溶解大量CO₂气体，易导致原油发泡并形成稳定性较强的泡沫，造成分离设备不能有效分离，致使整个集输系统无法正常运行。

CO₂气体在原油中的溶解度较高，但不同原油的理化性质差异较大，无法准确预测CO₂的溶解量，因此有必要测试原油中CO₂的溶解特性，为集输系统工艺优化提供基础参数。同时，为了有效脱除原油中的CO₂气体，提高分离设备的效率，有必要测试CO₂泡沫的稳定特性，为分离设备的设计和运行提供依据。

现有的泡沫稳定性评价方法不同之处主要体现在起泡方式和评价指标两个方面。起泡方式根据原理不同分为两种，一种是通过对液体充气、分散或扰动，从而使液体中混合气泡，例如：气流法、Ross-Miles法和WarningBlender法；另一种是通过溶气液体降压析出气泡。同时，溶气原油的理化性质受压力和温度影响较大，常温常压下的泡沫稳定性评价方法不能真实反映实际温度和压力下泡沫的特性。本发明装置可准确测试与评价溶气原油降压过程中CO₂泡沫的稳定特性。

针对泡沫稳定性的评价指标，国内外学者定义了泡沫半衰期、泡沫综合指数、泡沫综合性能指标等参数，中国专利201410724298.0(授权专利公告号CN104502059A)公开了一种压力波动下泡沫稳定性测试装置及工作方法，该专利以排液体积来评价泡沫特性。美国专利5853618(授权专利公告号US005853618A)发明了一种泡沫制备方法，并以泡沫体积的半衰期来定义泡沫性能。这两个专利都没有考虑液相体积对泡沫体积的影响，本发明以相对泡沫体积为指标来分析泡沫的全衰时间。

为了模拟实际生产过程中CO₂发泡原油的气液分离过程，有必要发明一套测试装置，该装置可以再现一定压力和温度下原油的溶气过程，并对原油中CO₂的溶解度进行测定；同时能够模拟集输系统实际生产工艺，对溶气原油中CO₂泡沫的稳定特性进行评价；实现对分离工艺关键参数的优选，为分离设备的优化设计和高效运行提供依据。

发明内容

本发明提供一种原油中CO₂溶解度与泡沫稳定性测试装置，能够测试不同温度和压力条件下原油中CO₂的溶解特性，同时可以测试不同温度、压力和降压速率条件下CO₂泡沫的稳定特性，解决了实际生产工艺中CO₂溶解度与泡沫稳定性的测试问题。该测试装置的测试结果可作为集输系统分离设备设计和运行的参考依据。

本发明还提供一种上述测试装置的测试方法，该测试方法以泡沫相对体积作为泡沫性能指标，可得到泡沫相对体积在时间维度上的完整变化趋势，能够更准确地评价CO₂泡沫的稳定特性。

一种原油中CO₂溶解度与泡沫稳定性测试装置，其特征在于，包括注气部、入口压力调控部、泡沫测试部和出口压力调控部，所述各部依次串联。

所述注气部包括沿气体流动方向依次连接的气瓶、气瓶减压阀和第一阀门，与所述第一阀门并联设置有第二阀门和真空容器；所述真空容器顶部连接有真空表和真空泵，底部连接有第三阀门。

所述入口压力调控部，包括入口调压阀、第四阀门、入口气体流量计、第五阀门和第六阀门。第六阀门所在管路与第四阀门、入口气体流量计和第五阀门所在管路构成并联管路。

所述泡沫测试部，包括透明反应釜和控制箱；所述透明反应釜包括反应釜筒体、反应釜底盖和反应釜顶盖，所述反应釜筒体外侧设置有透明水套，所述透明水套与恒温水浴形成循环回路；所述反应釜底盖设置有温度传感器；所述反应釜顶盖设置有压力传感器和搅拌部，所述搅拌部设置有电机、搅拌轴、搅拌桨。

所述出口压力调控部，包括第七阀门、出口气体流量计、第八阀门、第九阀门和出口背压阀。第九阀门所在管路与第七阀门、出口气体流量计和第八阀门所在管路构成并联管路。

本发明的工作过程是真空泵抽吸原油中的溶解气和透明反应釜内的空气，气瓶提供CO₂气体，气瓶减压阀和两级阀门的联合调节实现压力控制，透明水套中的循环水实现控温，多次调压实现一定温度和压力下原油与CO₂气体溶解平衡。入口气体流量计累计流量减去透明反应釜内的气体体积即一定温度和压力条件下原油中溶解CO₂气体的体积。出口两级阀门的联合调节实现对降压速率的控制，通过透明反应釜观测原油和泡沫，选择泡沫相对原油的体积为指标，评价一定温度、压力和降压速率下CO₂泡沫的稳定特性。

本发明的基本原理是原油中溶解的CO₂气体随着压力下降而析出气泡，气泡从原油内部上升至液面，不会立即破灭，而是经过一定时间才破灭。因此原油和泡沫的总体积会经历一个增加到最大值，然后下降到初始体积的过程。在这个过程中，以泡沫相对原油的体积为指标，能够准确评价CO₂泡沫的稳定特性。

本发明的有益效果是，可以准确测量不同温度和压力条件下原油中CO₂的溶解度，精确评价不同温度、压力和降压速率条件下CO₂泡沫的稳定特性。通过真空泵抽吸原油中的溶解气和透明反应釜内的空气，增加测量精度。通过气瓶减压阀和入口压力调控部两级阀门的联合调节可以精确控制透明反应釜的注气过程；通过入口气体流量计实现了不同温度和压力条件下原油中CO₂溶解度的准确测量。透明反应釜实现了多种工况下泡沫稳定状态的可视化观测，透明水套中的循环水保证了透明反应釜温度的精确控制。通过出口压力调控部两级阀门的联合调节可以精确控制透明反应釜的压降速率。采用相对泡沫体积来分析泡沫的全衰时间，可得到泡沫相对体积在时间维度上的完整变化趋势，能够更准确地评价CO₂泡沫的稳定特性。

附图说明

图1为本发明的流程图。

其中，1—气瓶2—气瓶减压阀3—第一阀门4—第二阀门5—真空容器6—真空表7—真空泵8—第三阀门9—入口调压阀10—第四阀门11—入口气体流量计12—第五阀门13—第六阀门14—透明反应釜15—透明水套16—恒温水浴17—温度传感器18—压力传感器19—电机20—搅拌轴21—搅拌桨22—控制箱23—第七阀门24—出口气体流量计25—第八阀门26—第九阀门27—出口背压阀。

图2为本发明透明反应釜的结构图。

其中，15—透明水套17—温度传感器18—压力传感器19—搅拌电机20—搅拌轴21—搅拌桨28—循环水浴出口29—循环水浴入口30—排空口31—气体出口。

具体实施方式

如图1、2，本发明包括：气瓶(1)、气瓶减压阀(2)、第一阀门(3)、第二阀门(4)、真空容器(5)、真空表(6)、真空泵(7)、第三阀门(8)、入口调压阀(9)、第四阀门(10)、入口气体流量计(11)、第五阀门(12)、第六阀门(13)、透明反应釜(14)、透明水套(15)、恒温水浴(16)、温度传感器(17)、压力传感器(18)、电机(19)、搅拌轴(20)、搅拌桨(21)、控制箱(22)、第七阀门(23)、出口气体流量计(24)、第八阀门(25)、第九阀门(26)、出口背压阀(27)、循环水浴出口(28)、循环水浴入口(29)、排空口(30)、气体出口(31)等。

所述气瓶(1)之后安装有气瓶减压阀(2)。第一阀门(3)安装于气瓶减压阀(2)之后，可以切断气瓶气体供应。真空泵(7)可以抽吸原油中的溶解气和透明反应釜(14)内的空气，真空表(6)可以指示真空容器(5)内的真空度。真空容器(5)的入口和出口分别由第二阀门(4)和第三阀门(8)控制。

所述入口调压阀(9)与第四阀门(10)和第五阀门(12)联合调节压力，控制气瓶向透明反应釜注气；入口气体流量计(11)计量流过管路的气体体积；第六阀门(13)为旁路阀门。

所述透明反应釜(14)筒体为透明材质圆筒，外壁面标示有高度刻度，可以观测原油和泡沫，直观地监测并计量发泡原油中泡沫的存在时间；透明反应釜(14)筒体壁厚为5mm，内径为50mm，高度为500mm；高度和内径的比值为10，可以减少水平面泡沫分布不均造成的体积测量误差。

所述透明反应釜(14)外侧设置有透明水套(15)，透明水套(15)与恒温水浴(16)相连，循环水在透明水套(15)和恒温水浴(16)之间循环流动，保持透明反应釜(14)温度恒定。

所述温度传感器(17)安装于透明反应釜(14)底盖，测试透明反应釜内的温度，并与控制箱(22)连接，所述压力传感器(18)安装于透明反应釜(14)顶盖，测试透明反应釜内的压力，与控制箱(22)连接。

所述电机(19)安装于透明反应釜(14)顶盖上，带动搅拌轴(20)转动。搅拌桨(21)安装在搅拌轴(20)上，实现搅拌原油，促进CO₂气体溶解。电机(19)与控制箱(22)连接，其转速通过控制箱(22)调节。

所述出口背压阀(27)与第七阀门(23)和第八阀门(25)联合控制透明反应釜内的压降速率；出口气体流量计(24)计量流过管路的气体体积；第九阀门(26)为旁路阀门。

利用上述原油中CO₂溶解度与泡沫稳定性装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在设定的温度T₁和压力P₁条件下，首次测量CO₂溶解度与测试泡沫稳定性：

1.1)透明反应釜(14)抽真空

打开透明反应釜(14)顶盖，将原油注入透明反应釜(14)，根据原油高度是否达到设定值h，以确定原油体积是否达到设定值l，然后停止加入原油，关闭透明反应釜(14)顶盖，打开第二阀门(4)、入口调压阀(9)、第四阀门(10)和第五阀门(12)，关闭其他阀门，开启真空泵(7)，对透明反应釜(14)抽真空，根据真空表(6)读数判断透明反应釜(14)内部是否达到真空状态，当达到真空状态时关闭第二阀门(4)、真空泵(7)；

1.2)制备溶CO₂原油

启动恒温水浴(16)，调节温度到设定值T₁，缓慢打开气瓶减压阀(2)、第一阀门(3)、入口调压阀(9)、第四阀门(10)和第五阀门(12)，通过调节气瓶减压阀(2)和入口调压阀(9)使透明反应釜(14)的压力稳定在设定值P₁，启动电机(19)，调节转速到设定值，搅拌过程中，如果透明反应釜(14)的压力发生变化，立即调节第一阀门(3)和入口调压阀(9)，使得透明反应釜(14)的压力保持在设定值P₁，待透明反应釜(14)压力稳定之后，此时原油和CO₂气体达到相平衡状态，关闭电机(19)；

1.3)测试溶解度

在设定的温度T₁和压力P₁条件下，原油中CO₂溶解体积等于入口气体流量计(11)累计流量f减去透明反应釜(14)内的CO₂气体体积v；

计算原油中CO₂溶解度r如式(a)所示：

$r=\frac{f-v}{l}---\left(a\right)$

式(a)中，l为原油体积；

1.4)测试泡沫稳定性

透明反应釜14内的初始气压为P₁，期望该气压最终降为P₀，并且设定降压速率为s；每隔5秒调节一次，则调节次数m以及每次调节后的压力表读数为P_j均可由以下公式(b)计算出，

P_j＝P₁-st_j(b)

式(b)中，由每次调节时的时间t_j可得到对应的透明反应釜(14)压力P_j，j＝0，1，2，…，m；

关闭第一阀门(3)、入口调压阀(9)、第四阀门(10)、第五阀门(12)；开始计时，打开第九阀门(26)和出口背压阀(27)，计时开始后，每5秒调节一次出口背压阀(27)，使得压力表读数为P_j，当透明反应釜(14)的压力示数达到设定值P₀时，关闭第九阀门(26)；

计时开始后，同时每隔5秒读取一次透明反应釜(14)内泡沫高度读数h_i，直到泡沫完全消失，结束计时，计此时读取高度的次数为n；

计算泡沫相对体积y_i如式(c)所示：

$y_i=\frac{h_{bi}}{h}---\left(c\right)$

式(c)中，i＝0，1，2，…，n；h为加入的原油高度；

以时间t为横轴，以相对泡沫体积y为纵轴，画出数据点(t_i，y_i)，连成曲线，曲线和横轴围成的面积为泡沫全衰期T；

计算泡沫全衰期T如式(d)所示：

$T={\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{n-1}\frac{(y_{i+1}+y_i)}{2}\×(t_{i+1}-t_i)---\left(d\right)$

式(d)中，t_i+1和t_i的时间间隔为5秒；i＝0，1，2，…，n-1；

2)在设定的温度T₁和压力P₁条件下已知测量CO₂溶解度时，测试泡沫稳定性：

2.1)透明反应釜(14)抽真空

步骤同上述1.1)，并且对透明反应釜(14)内的原油添加消泡剂，或者超声处理；

2.2)制备溶CO₂原油

启动恒温水浴(16)，调节温度到设定值T₁，缓慢打开气瓶减压阀(2)、第一阀门(3)、入口调压阀(9)和第六阀门(13)，通过调节气瓶减压阀(2)使透明反应釜(14)的压力稳定在设定值P₁，启动电机(19)，调节转速到设定值，搅拌过程中，如果透明反应釜(14)的压力发生变化，立即调节第一阀门(3)和入口调压阀(9)，使得透明反应釜(14)的压力保持在设定值P₁，待透明反应釜(14)压力稳定之后，此时原油和CO₂气体达到相平衡状态，关闭电机(19)；

2.3)测试泡沫稳定性

步骤同上述1.4)。

Claims (4)

1.一种原油中CO₂溶解度与泡沫稳定性测试装置，其特征在于，包括气瓶(1)，气瓶(1)的出口管路上依次安装有气瓶减压阀(2)和第一阀门(3)，所述第一阀门(3)通过三通分别连接第二阀门(4)和入口调压阀(9)，所述第二阀门(4)另一端与真空容器(5)的顶部相连通，所述真空容器(5)顶部设有真空表(6)和真空泵(7)、底部还设有第三阀门(8)；

所述入口调压阀(9)另一端依次通过第四阀门(10)、入口气体流量计(11)、第五阀门(12)与透明反应釜(14)相连通；在入口调压阀(9)至透明反应釜(14)之间，还设有与上述第四阀门(10)、入口气体流量计(11)、第五阀门(12)相并联的旁路阀门——第六阀门(13)；

所述透明反应釜(14)包括外壁面标示有刻度的透明圆筒，圆筒上下两端分别设有顶盖和底盖，透明反应釜(14)外侧设置有透明水套(15)，透明水套(15)与恒温水浴(16)相连，循环水在透明水套(15)和恒温水浴(16)之间循环流动以保持透明反应釜(14)温度恒定；

透明反应釜(14)底盖和顶盖分别设有温度传感器(17)和气体出口(31)，其中气体出口(31)与压力传感器(18)相通，透明反应釜(14)顶盖还设有搅拌电机(19)，该搅拌电机(19)的搅拌轴(20)位于透明圆筒内部，且搅拌轴(20)上设有搅拌桨(21)；所述恒温水浴(16)、温度传感器(17)、压力传感器(18)和搅拌电机(19)分别与控制箱(22)连接；

所述透明反应釜(14)顶盖的气体出口(31)还依次通过第七阀门(23)、出口气体流量计(24)、第八阀门(25)与出口背压阀(27)相连，在透明反应釜(14)顶盖的气体出口(31)至出口背压阀(27)之间，还设有与上述第七阀门(23)、出口气体流量计(24)、第八阀门(25)相并联的旁路阀门——第九阀门(26)。

2.根据权利要求1所述的一种原油中CO₂溶解度与泡沫稳定性测试装置，其特征在于，所述的透明反应釜(14)底盖上还设有排空口(30)。

3.根据权利要求1所述的一种原油中CO₂溶解度与泡沫稳定性测试装置，其特征在于，所述透明反应釜(14)筒体为透明材质圆筒，壁厚为5mm，内径为50mm，高度为500mm，高度和内径的比值为10，外壁面标示有高度刻度。

4.利用权利要求1-3任意一项所述测试装置测试原油中CO₂溶解度与泡沫稳定性的测试方法，包括以下步骤：

1)在设定的温度T₁和压力P₁条件下，首次测量CO₂溶解度与测试泡沫稳定性：

1.1)透明反应釜(14)抽真空

打开透明反应釜(14)顶盖，将原油注入透明反应釜(14)，根据原油高度是否达到设定值h，以确定原油体积是否达到设定值l，然后停止加入原油，关闭透明反应釜(14)顶盖，打开第二阀门(4)、入口调压阀(9)、第四阀门(10)和第五阀门(12)，关闭其他阀门，开启真空泵(7)，对透明反应釜(14)抽真空，根据真空表(6)读数判断透明反应釜(14)内部是否达到真空状态，当达到真空状态时关闭第二阀门(4)、真空泵(7)；

1.2)制备溶CO₂原油

启动恒温水浴(16)，调节温度到设定值T₁，缓慢打开气瓶减压阀(2)、第一阀门(3)、入口调压阀(9)、第四阀门(10)和第五阀门(12)，通过调节气瓶减压阀(2)和入口调压阀(9)使透明反应釜(14)的压力稳定在设定值P₁，启动电机(19)，调节转速到设定值，搅拌过程中，如果透明反应釜(14)的压力发生变化，立即调节第一阀门(3)和入口调压阀(9)，使得透明反应釜(14)的压力保持在设定值P₁，待透明反应釜(14)压力稳定之后，此时原油和CO₂气体达到相平衡状态，关闭电机(19)；

1.3)测试溶解度

在设定的温度T₁和压力P₁条件下，原油中CO₂溶解体积等于入口气体流量计(11)累计流量f减去透明反应釜(14)内的CO₂气体体积v；

计算原油中CO₂溶解度r如式(a)所示：

$r=\frac{f-v}{l}---\left(a\right)$

式(a)中，l为原油体积；

1.4)测试泡沫稳定性

透明反应釜14内的初始气压为P₁，期望该气压最终降为P₀，并且设定降压速率为s；每隔5秒调节一次，则调节次数m以及每次调节后的压力表读数为P_j均可由以下公式(b)计算出，

P_j＝P₁-st_j(b)

式(b)中，由每次调节时的时间t_j可得到对应的透明反应釜(14)压力P_j，j＝0，1，2，…，m；

关闭第一阀门(3)、入口调压阀(9)、第四阀门(10)、第五阀门(12)；开始计时，打开第九阀门(26)和出口背压阀(27)，计时开始后，每5秒调节一次出口背压阀(27)，使得压力表读数为P_j，当透明反应釜(14)的压力示数达到设定值P₀时，关闭第九阀门(26)；

计时开始后，同时每隔5秒读取一次透明反应釜(14)内泡沫高度读数h_i，直到泡沫完全消失，结束计时，计此时读取高度的次数为n；

计算泡沫相对体积y_i如式(c)所示：

$y_i=\frac{h_{bi}}{h}---\left(c\right)$

式(c)中，i＝0，1，2，…，n；h为加入的原油高度；

以时间t为横轴，以相对泡沫体积y为纵轴，画出数据点(t_i，y_i)，连成曲线，曲线和横轴围成的面积为泡沫全衰期T；

计算泡沫全衰期T如式(d)所示：

$T={\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{n-1}\frac{(y_{i+1}+y_i)}{2}\×(t_{i+1}-t_i)---\left(d\right)$

式(d)中，t_i+1和t_i的时间间隔为5秒；i＝0，1，2，…，n-1；

2)在设定的温度T₁和压力P₁条件下且已知测量CO₂溶解度时，测试泡沫稳定性：

2.1)透明反应釜(14)抽真空

步骤同上述1.1)，并且对透明反应釜(14)内的原油添加消泡剂，或者超声处理；

2.2)制备溶CO₂原油

启动恒温水浴(16)，调节温度到设定值T₁，缓慢打开气瓶减压阀(2)、第一阀门(3)、入口调压阀(9)和第六阀门(13)，通过调节气瓶减压阀(2)使透明反应釜(14)的压力稳定在设定值P₁，启动电机(19)，调节转速到设定值，搅拌过程中，如果透明反应釜(14)的压力发生变化，立即调节第一阀门(3)和入口调压阀(9)，使得透明反应釜(14)的压力保持在设定值P₁，待透明反应釜(14)压力稳定之后，此时原油和CO₂气体达到相平衡状态，关闭电机(19)；

2.3)测试泡沫稳定性

步骤同上述1.4)。