CN106771094A - 一种基于全密封方法的胶凝原油压缩性测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于全密封方法的胶凝原油压缩性测试装置及方法，通过基础油压缩机构和原油压缩机构之间通过弹性薄膜‑液体密封机构连通，同时，连通管路中设置可变形、位置可调的弹性薄膜，以分离基础油压缩机构的基础油和原油压缩机构的原油，防止二者掺混，弹性薄膜与基础油充当液体活塞在外力作用下对原油进行压缩；通过设置的测量仪以测量原油的具体体积，实现伸缩性的测试。本发明能够计算胶凝原油的压缩特性，有效地解决了活塞与压缩舱壁的密封问题以及密封圈因变形对原油压缩特性测量带来的影响，提高测试结果准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于全密封方法的胶凝原油压缩性测试装置及方法。
背景技术
我国所产原油大部分为含蜡粘稠原油和重质高粘原油，管输过程中，难免会发生停输，停输后随着温度降低至一定程度，管线中的原油可能会呈现为具有一定结构强度的胶凝状态，这会给管线的再启动造成一定的困难。其中胶凝原油的压缩性对于管线再启动具有非常重要的影响，研究胶凝原油的压缩性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。
热油管道停输后，管内油品温降收缩，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：
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；ρ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，故由上式可知，原油的压缩性很大程度上对压力波的传播速度产生影响。
现场管道中，低温原油具有非牛顿流体特性，管内原油经历剪切历史和热历史的交互影响，非牛顿性质发生改变；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，将使胶凝原油的性质存在差异，其压缩性也会存在差异。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，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。
对于胶凝原油压缩性试验测试方法的研究，目前存在的技术问题：
目前为止，针对原油压缩性的实验研究并不多见，在实验中的压缩装置也很少，其中，主要有河北计量研究所提出的原油压缩装置，中国石油大学(北京)所用的高压PVT装置，以及中国石油大学(华东)山东省重点实验室自主研制的原油压缩装置等，上述装置原理基本都是通过给活塞施加一个作用力然后推动活塞来压缩压缩舱中的原油，通过记录活塞的位移，并且根据修正后的计算公式计算出原油的压缩系数。
1.上述方法存在一个共同的不足，即活塞和压缩舱壁之间是滑动的，因此在密封性问题上就暴露出不可避免的问题。即使随着科技的发展，密封材料取得很大的发展，通过采用新材料，极大地提高了活塞处的密封性，减小了因密封不严或者密封圈变形带来的误差，但是密封圈的变形对于在原油压缩系数的测量中所带来的误差还是非常大的。
2.现有的最新的压缩装置中具有变径结构的压缩室，因考虑变径结构压力的传递问题，在选择合适的坡度前提下，会导致压缩室过长，进而造成活塞压力不易在整个压缩室传递，导致压力衰减现象。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于全密封方法的胶凝原油压缩性测试装置及方法，本发明能够有效地解决胶凝原油压缩特性的测试问题，实现对胶凝原油压缩性的测试过程完全密封，极大地提高了测试结果的准确性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于全密封方法的胶凝原油压缩性测试装置，包括弹性薄膜-液体密封机构、原油压缩机构、基础油压缩机构、动力机构和管路循环系统，其中，所述动力机构为原油压缩机构、基础油压缩机构提供压缩的压力来源，所述管路循环系统包括连接原油压缩机构、基础油压缩机构、动力机构的各个进出口封闭管路；
所述基础油压缩机构和原油压缩机构之间通过弹性薄膜-液体密封机构连通，同时，连通管路中设置可变形、位置可调的弹性薄膜，以分离基础油压缩机构的基础油和原油压缩机构的原油，防止二者掺混，弹性薄膜与基础油充当液体活塞在外力作用下对原油进行压缩；
通过设置的测量仪确定基础油液位变化，并进而计算获取压缩舱内原油的体积变化量。
所述基础油压缩机构包括基础油压缩舱，所述基础油压缩舱上端设置有基础油加注口和气源接口，基础油加注口和气源接口处分别设置有阀门。
所述基础油压缩舱沿其中心轴延伸方向为变径结构。所述变径结构的作用是：尽可能减小浮子所处位置处的管径，从而使基础油截面面积减小，相同原油体积变化量下基础油液位变化幅度更为明显，提高体积变化量的测量精度。
所述原油压缩机构包括原油压缩舱和设置于其外部的水浴套，所述原油压缩舱内设置有压力传感器和温度传感器，分别采集压力信号以及温度信号传输到信号处理系统，用于计算胶凝原油的压缩特性。
所述原油压缩机构内的原油在环形管路循环系统中经历热历史和剪切历史后达到测试温度，将环形管路循环系统处理后的原油置换进入原油压缩舱中，油样按照制定的降温速率静置至形成凝胶结构。
进一步的，所述弹性薄膜-液体密封机构包括弹性薄膜控制阀、弹性薄膜、紧固连接卡盘，所述弹性薄膜控制阀用以控制弹性薄膜的初始位，弹性薄膜将原油与基础油分开，防止二者相互掺混，并保证在压缩过程中原油不会进入基础油压缩舱，实现由基础油和弹性薄膜共同组成的弹性薄膜-液体密封，紧固连接卡盘将弹性薄膜固定在原油压缩舱和基础油压缩舱之间，并保证连接处始终处于完全密封状态。
所述动力机构包括高压气源和气源控制阀，气源控制阀用于切断或连通气源，高压气源施加的压力通过基础油以及弹性薄膜传递至原油压缩舱。
所述气源为惰性气体或者氮气，提供压缩原油的动力，压力的大小通过压缩机进行调节。
所述测量装置为激光测微仪，所述激光测微仪设置于基础油压缩舱的上端，所述基础油压缩舱内设置有浮子，激光测微仪与浮子处于同一直线，通过测量浮子的位移信号来计算基础油的体积变形量，以得到原油的体积变形量。
基于上述测量装置的测量方法，加注基础油，安装测量装置，调整弹性薄膜的位置；加注原油，使原油在管路循环系统内加热循环，模拟原油在管道中的流动情况，保持原油压缩舱内的原油与环形管道内原油近似的降温速率，并保证原油压缩舱内原油温度不低于原油凝点，直到原油压缩机构的原油被全部替换，模拟真实管道原油停输之后静态温降过程，按制定降温速率降至待测温度；对基础油压缩机构提供动力源，测量体积压缩量和压力变化量。
本发明的有益效果为：
(1)实现了胶凝原油压缩特性测试过程中完全密封；将变径结构位置进行修改，缩短了压缩舱的长度，减小了压力衰减量；有效地解决了活塞与压缩舱壁的密封问题以及密封圈因变形对原油压缩特性测量带来的影响，提高测试结果准确性；
(2)本发明用基础油和弹性薄膜组成弹性薄膜-液体密封，代替传统的压缩活塞，通过高压气源压缩基础油，然后将压力传递至弹性薄膜，继而压缩原油，不存在因密封圈变形而带来的影响，极大地提高了原油压缩特性的测试精度；
(3)本发明采用高精度的激光传感器，大大提高了位移信号的测量精度，非接触式测量，保证了装置的密闭性；
(4)基础油压缩舱沿其中心轴延伸方向为变径结构，旨在尽可能减小浮子所处位置处的管径，从而使基础油截面面积减小，相同原油体积变化量下基础油液位变化幅度更为明显，提高体积变化量的测量精度。
(5)本发明利用高压气源作为动力源，操作简单，大大地简化了实验装置。
附图说明
图1.整个测试装置流程示意图；
图2.压缩装置基础油压缩体统的局部放大图；
图3.原油压缩系统以及膜系统的局部放大图；
图4.紧固连接卡盘螺栓布置图；
其中，1高架罐，2高架罐出口阀，3蠕动泵，4出口控制阀，5高架罐入口阀，6高架罐旁通阀，7截止阀，8蠕动泵旁通阀，9排液阀，10原油压缩舱旁通阀，11截止阀，12环形管道，13水浴槽，14截止阀，15进口控制阀，16水浴套，17原油压缩舱，18弹性薄膜密封系统，19弹性薄膜位置控制阀，20基础油压缩舱，21浮子，22基础油加注控制阀，23基础油加注口，24激光测微仪，25气源控制阀，26气源接口，27紧固螺栓，28紧固连接卡盘，29弹性垫圈，30原油压缩舱出口，31原油压缩舱出口，32 2#压力传感器，33 1#压力传感器，34弹性薄膜，35温度传感器。
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。
基础油注入到本设计的压缩系统中，使弹性薄膜在连接管内处于一定位置，原油在环形管路中经历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原油压缩舱，油样按照指定的降温速率静置至形成胶凝结构后通过基础油以及弹性薄膜对原油进行压缩测试，原油压缩系统中的压力信号和温度信号被传输到信号处理系统，位移信号则通过基础油压缩系统中的激光测量系统传递到信号处理系统，用于计算胶凝原油的压缩特性。
一种胶凝原油压缩特性的测试装置，主要由弹性薄膜-液体密封系统，原油压缩系统、激光测量系统、动力系统和管路循环系统组成。原油压缩舱(17)联接基础油压缩舱(20)，基础油压缩舱(20)内置有呈牛顿流体特性、且挥发性极差的基础油。原油压缩舱(17)联接基础油压缩舱(20)之间设有弹性薄膜(34)，弹性薄膜(34)可以自由变形，将基础油和原油分离，防止二者掺混，弹性膜与基础油充当液体活塞在外力作用下对原油进行压缩。基础油压缩舱(20)上方安装有激光测微仪(24)，可以测量基础油液位变化。基础油压缩舱(20)具有变径结构，内壁光滑且表面涂有疏油材料，最大限度降低基础油挂壁带来的测量误差。通过测量基础油压缩舱(20)内基础油液位变化，间接计算原油压缩舱(17)内原油体积变形量，进而实现原油体积压缩特性的测试。
弹性薄膜-液体密封系统包括基础油压缩舱(20)、弹性薄膜控制阀(19)、弹性薄膜(34)、紧固连接卡盘(28)，已知体积的基础油注入基础油压缩舱(20)，通过弹性薄膜控制阀(19)来控制弹性薄膜(34)的初始位。弹性薄膜(34)将原油与基础油分开，防止二者相互掺混，并保证在压缩过程中原油不会进入基础油压缩舱(20)，实现由基础油和弹性薄膜共同组成的弹性薄膜-液体密封。压力通过基础油以及弹性薄膜(34)传递至原油压缩舱(17)，紧固连接卡盘(28)将弹性薄膜(34)固定在原油压缩舱(17)和基础油压缩舱(20)之间，并保证连接处始终处于完全密封状态。
激光测距系统包括激光测微仪(24)以及浮子(21)，激光测微仪(24)为高精度测距仪器，安装时保持激光束与浮子(21)处于同一直线，浮子(21)为材质较轻，浮力较大的耐油材料，通过测量浮子(21)的位移信号来计算原油的体积变形量，同时，初始时刻精确测量浮子(21)位置，推算原油压缩舱(17)内原油的具体体积。
动力系统包括高压气源和气源控制阀(25)组成。气源采用惰性气体或者氮气，提供压缩原油的动力，压力的大小可以通过压缩机进行调节，气源控制阀(25)用于切断或连通气源以及实验测试完毕时高压气体的释放，避免高压操作产生危险，高压气源施加的压力的方向是通过变径结构经基础油压缩舱(20)以及弹性薄膜(34)传递至原油压缩舱(17)方向。
环形管道(12)上安装有蠕动泵(3)，环形管道(12)旁接原油压缩舱(17)和高架罐(1)，环形管道(12)外设置有水浴槽(13)，原油压缩舱(17)外设置有水浴套(16)所述的原油压缩系统包括进油口控制阀(15)、出油口控制阀(4)、原油压缩舱(17)、温度传感器(31)、压力传感器(32、33)5部分组成，原油压缩舱(17)分别通过进油口控制阀(15)、出油口控制阀(4)与环形管道(12)连接，控制环形管道(12)内原油进出原油压缩舱(17)，原油压缩舱(17)内布置有温度传感器(31)和压力传感器(32、33)，分别将原油压缩舱(17)内的温度信号和压力信号实时地传递到信号处理系统。
装置流程如图1所示，具体操作步骤如下：
1.基础油加注
将整个压缩装置向上略微倾斜，打开基础油加注控制阀22和气源控制阀25，缓慢注入约1.5V体积的基础油，V为弹性薄膜控制阀19与弹性薄膜34之间的体积，然后关闭弹性薄膜位置控制阀19，将剩下的基础油注入，并将装置放平，关闭基础油加注控制阀22和气源控制阀25，放入浮子21，安装激光测距仪24。
2.原油的加注
开启原油压缩舱进油口控制阀15、出油口控制阀4，打开高架罐入口阀5、高架罐出口阀2，往高架罐1内注入原油，开启排液阀9，使原油自流充满环形管道12和原油压缩舱17。打开电源，加热水浴槽13和水浴套16，开启蠕动泵3，使原油在管道系统内加热循环。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6和蠕动泵旁通阀8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。保持原油压缩舱旁通阀10和高架罐旁通阀6开启状态，关闭进口控制阀15，出口控制阀4，高架罐入口阀5，高架罐出口阀2，调节蠕动泵3的频率和蠕动泵旁通阀8的开度，使蠕动泵的流量和模拟剪切所需的流量一致，同时控制水浴槽13的降温速率，模拟实际管道内原油温降过程。控制水浴套16的温度，保持原油压缩舱17内的原油与环形管道12内原油近似的降温速率，并保证原油压缩舱17内原油温度不低于原油凝点。
当环形管道12内原油流动时间到达给定模拟剪切流动时间后，开启进口控制阀15和出口控制阀4，关闭原油压缩舱旁通阀10，经过Δt段时间停泵Δt满足Δt>V/Q，V是原油压缩舱17的容积，Q是蠕动泵的流量。为了保证原油压缩舱17内的原油全部被环形管道12内的原油替换，宜控制Δt≈2V/Q。为防止从原油压缩舱17排出的原油经环形管道12重新进入原油压缩舱17，环形管道12的总容积宜不小于3V。
整个压缩装置由进油口控制阀15、出油口控制阀4、原油压缩舱17、水浴套16、基础油压缩舱20、浮子21、基础油加注控制阀22、激光测距仪24、气源控制阀25、弹性薄膜位置控制阀19、紧固螺栓27、紧固连接卡盘28、弹性薄膜34、压力传感器33、温度传感器31组成。
经历剪切历史和热历史的原油从原油压缩舱入口31进入原油压缩舱17，逐渐将原油压缩舱17内的原油从原油压缩舱出口30排出，原油压缩舱入口31和原油压缩舱出口30的直径相当于油缸的口径很小，并且原油压缩舱进油口控制阀15和原油压缩舱出油口控制阀4距离原油压缩舱外壁很近，故可以忽略原油压缩舱入口31和原油压缩舱出口30内的原油体积对压缩实验的影响。原油压缩舱17和基础油压缩舱20中间靠弹性薄膜34分开，通过紧固连接卡盘28以及6个相同的紧固螺栓27连接，其中接口处开有槽沟，以此来固定装有弹性垫圈29的弹性薄膜34，基础油压缩舱20上具有变径结构，并装有弹性薄膜位置控制阀19，其作用主要有两点：一、防止初始时刻因加注基础油而产生的压力或者测试完成后两侧压力不均造成膜的变形量过大，二、防止在原油注入时产生的压力波动造成弹性薄膜来回震荡，影响其机械性能。在基础油压缩舱20上方分别布有激光测微仪24，基础油加注口23，高压气源接口26。
待原油将原油压缩舱17内的原油置换完全后，关闭进油口控制阀15和出油口控制阀4，根据温度传感器35测量结果调节水浴套16，模拟真实管道原油停输之后静态温降过程，按制定降温速率降至待测温度。接入高压气源，打开高压气源控制阀25，打开弹性薄膜位置控制阀19，增压到制定压力，激光测微仪24测量基础油液面浮子在不同压力下的位移信息，将信号传输到信号处理中心，与此同时，利用1#压力传感器和2#压力传感器连续采集压力信息，并计算胶凝原油的压缩特性，注意每次变换压力时，注意对比两个压力传感器的压力值大小，当二者压力差小于规定范围方可改变压力。
实测压缩系数表达式：
其中，Fb为原油的压缩系数，Pa-1；A为基础油压缩舱竖直段的横截面积A＝πd2/4，m2；ΔL为浮子下降位移差，ΔL＝L2-L1，m；L1，L2为浮子的位移，m；Vto为原油与基础油的总体积，m3；Vo为注入的基础油体积，m3；P2,P1为对应于位移L2，L1的压力，Pa；ΔV2，ΔV1对应于压力P2,P1时的筒体体积变形量，m3；ΔVo为基础油的体积形变量，m3；Fo为基础油的压缩系数，Pa-1。
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 (9)
1.一种基于全密封方法的胶凝原油压缩性测试装置，其特征是：包括弹性薄膜-液体密封机构、原油压缩机构、基础油压缩机构、动力机构和管路循环系统，其中，所述动力机构为原油压缩机构、基础油压缩机构提供压缩的压力来源，所述管路循环系统包括连接原油压缩机构、基础油压缩机构、动力机构的各个进出口封闭管路；
所述基础油压缩机构和原油压缩机构之间通过弹性薄膜-液体密封机构连通，同时，连通管路中设置可变形、位置可调的弹性薄膜，以分离基础油压缩机构的基础油和原油压缩机构的原油，防止二者掺混，弹性薄膜与基础油充当液体活塞在外力作用下对原油进行压缩；
通过设置的测量仪确定基础油液位变化，并进而计算获取压缩舱内原油的体积变化量。
2.如权利要求1所述的一种基于全密封方法的胶凝原油压缩性测试装置，其特征是：所述基础油压缩机构包括基础油压缩舱，所述基础油压缩舱上端设置有基础油加注口和气源接口，基础油加注口和气源接口处分别设置有阀门。
3.如权利要求2所述的一种基于全密封方法的胶凝原油压缩性测试装置，其特征是：所述基础油压缩舱沿其中心轴延伸方向为变径结构。
4.如权利要求1所述的一种基于全密封方法的胶凝原油压缩性测试装置，其特征是：所述原油压缩机构包括原油压缩舱和设置于其外部的水浴套，所述原油压缩舱内设置有压力传感器和温度传感器，分别采集压力信号以及温度信号传输到信号处理系统，用于计算胶凝原油的压缩特性。
5.如权利要求1所述的一种基于全密封方法的胶凝原油压缩性测试装置，其特征是：所述弹性薄膜-液体密封机构包括弹性薄膜控制阀、弹性薄膜、紧固连接卡盘，所述弹性薄膜控制阀用以控制弹性薄膜的初始位，弹性薄膜将原油与基础油分开，防止二者相互掺混，并保证在压缩过程中原油不会进入基础油压缩舱，实现由基础油和弹性薄膜共同组成的弹性薄膜-液体密封，紧固连接卡盘将弹性薄膜固定在原油压缩舱和基础油压缩舱之间，并保证连接处始终处于完全密封状态。
6.如权利要求1所述的一种基于全密封方法的胶凝原油压缩性测试装置，其特征是：所述动力机构包括高压气源和气源控制阀，气源控制阀用于切断或连通气源，高压气源施加的压力通过基础油以及弹性薄膜传递至原油压缩舱。
7.如权利要求6所述的一种基于全密封方法的胶凝原油压缩性测试装置，其特征是：所述气源为惰性气体或者氮气，提供压缩原油的动力，压力的大小通过压缩机进行调节。
8.如权利要求1所述的一种基于全密封方法的胶凝原油压缩性测试装置，其特征是：所述测量装置为激光测距仪，所述激光测微仪设置于基础油压缩舱的上端，所述基础油压缩舱内设置有浮子，激光测微仪与浮子处于同一直线，通过测量浮子的位移信号来计算基础油的体积变形量，以得到原油的体积变形量。
9.基于权利要求1-8中任一项所述的测量装置的测量方法，其特征是：加注基础油，安装测量装置，调整弹性薄膜的位置；加注原油，使原油在管路循环系统内加热循环，模拟原油在管道中的流动情况，保持原油压缩舱内的原油与环形管道内原油近似的降温速率，并保证原油压缩舱内原油温度不低于原油凝点，直到原油压缩机构的原油被全部替换，模拟真实管道原油停输之后静态温降过程，按制定降温速率降至待测温度；对基础油压缩机构提供动力源，测量体积压缩量和压力变化量。
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