CN106872673B - 定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验装置及方法，其中定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验装置定量表征方法为：一、同步于含蜡原油剪切模式的蜡晶图像摄取：二、蜡晶图像灰度信息的生成、分割及灰度图像提取；三、蜡晶灰度图像空间曲面特征参数获取；四、蜡晶分形维数确定；五、重复一至四，求得其它剪切效应下的蜡晶分形维数；六、建立剪切效应与蜡晶分形维数的函数关系，以蜡晶分形维数的大小分布及其变化规律定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为的影响。本发明解决了现有技术对蜡晶图像摄取时不能同步于含蜡原油所经历的不同水动力条件，以及表征蜡晶聚集行为时会损失图像灰度信息、定量化参数不可靠的问题。

Description

定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验装置及方法

一、技术领域：

本发明涉及的是含蜡原油管输工艺技术中，从热力学和动力学角度描述剪切流场蜡沉积作用机制时，解决对管输剪切效应影响下原油中析出蜡晶形态、结构，特别是其聚集行为定量表征的技术难题，具体涉及的是定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验装置及方法。

二、背景技术：

在我国原油对外依存度逐年上升(2015年首破60％，达到60.6％；2016年或近65％)的背景下，为保障“石油安全”，除了采取加大勘探力度寻找新增石油储量、利用石油期货市场规避进口风险、鼓励石油石化企业海外投资开发油气田、构建符合国情的石油储备战略等措施外，提供畅通、可靠的原油管道运输体系也是必不可少的重要环节。管道作为人类文明的第五种运输方式，已是国家重要的能源战略通道，截至2015年底，我国境内已建成原油管道总里程约2.5万公里，为解决能源紧张、保障能源供应安全发挥着重要作用。然而，我国主要油田生产的原油大多为高含蜡原油，蜡含量高达15％～37％，有的甚至高达40％以上(Chen Gang(陈刚)，Zhang Jie(张洁)，Natural Gas and Oil(天然气与石油)，2013，31(2)：1～5)，管道输送过程中，随着温度的降低、油壁温差的形成及剪切流场的构建，作为蜡质主要组成的重链烷烃和一些环烷烃，将会从原油相中不断析出、结晶、聚集，并在热力学和动力学综合作用下粘附在与其自身存在温差的管壁上，进而提供结晶核心、再长大而在管道沿线不断形成蜡沉积层，蜡沉积会减小管道流通面积，增大摩阻，降低输量和增大压降，不仅增加输油成本，还会给生产运行带来一些问题。例如，如果在管道初凝前或初凝时未能及时采取有效措施，一旦蜡晶空间网状结构强度增长到管道所能提供的最大剪切力都无法克服时，就会发生“凝管”事故。因此，科学而可靠地描述剪切流场蜡沉积作用机制，也就是含蜡原油流动性机理，一直是业界所关注的热点和面临的挑战，而有效实现对析出蜡晶聚集行为的定量表征则是应对这一挑战最根本的基础。

关于蜡晶形态、结构及其聚集行为的表征，至20世纪90年代，仍是停留在对蜡晶显微图像进行定性比较的阶段，未能在宏观流动特征与蜡晶微观聚集行为间建立定量关系。随着对含蜡原油流变性研究的深入，发展了计算蜡晶生长区域的数学形态学方法，并重点对热力条件影响下含蜡原油蜡晶图像中的蜡晶形态和结构特征进行了选择、提取与分类，实现了早期对蜡晶形态和结构较为粗糙的定量表征(Shuang Kai(双凯)，Liang Huaqing(梁华庆)，Zhang Jinjun(张劲军)，Journal of the University of Petroleum(Editionof Natural Science)(石油大学学报(自然科学版))，2002，26(5)：100～103)。之后，鉴于分形维数可以作为自然界中不同物体表面粗糙度的测量依据来区分不同物体类别，同时从统计学意义上论证，蜡晶形态、结构恰恰属于非线性的分形体，故可采用分形维数来对其定量表征，在含蜡原油加剂改性前后蜡晶聚集行为的多数解释工作中便借助了这一分形理论进行图像的分析(Jing Jiaqiang(敬加强)，Lu Ping(路平)，Yang Li(杨莉)，Huang Min(黄敏)，Fu Xianhui(付先惠)，Journal of Southwest Petroleum University(Science&Technology Edition)(西南石油大学学报(自然科学版))，2008，30(2)：123～126)，尽管自然界中分形体分形维数的确定方法有布朗法、盒计数法、粒径分布法和毯子法，但盒计数法是目前该领域工作中主要使用的蜡晶分形维数估算方法，这种方法需要将蜡晶图像进行二值化处理，会在一定程度上损失图像灰度信息的同时，完全忽略了分布区域蜡晶结构形态的差异，使相应计算的蜡晶分形维数局限于二维而不可避免地偏低，导致对原油中析出蜡晶聚集行为表征的失实。针对剪切作用对含蜡原油蜡晶形态影响的研究与定量描述，近年发展了以蜡晶形态参数为因变量，以表征剪切模拟量的参数粘性流动熵产、以及原油化学组成参数为自变量的定量关系式(Yi Shize(易世泽)，Gao Peng(高鹏)，Journal of WuhanUniversity of Technology(Transportation Science&Engineering(武汉理工大学学报(交通科学与工程版))，2013，37(3)：598～602)，式中也引入了蜡晶分形维数，不过，其整体方法中含蜡原油剪切过程与其蜡晶图像的摄取未实现连续和同步，缺乏所摄取图像对含蜡原油经历实际剪切效应再现的实时性和可靠性，且对于蜡晶分形维数的确定，同样采用了基于图像二值化处理而在一定程度上损失图像灰度信息、且完全忽略分布区域蜡晶结构形态差异的盒计数法。因此，在蜡晶图像摄取中充分考虑管输流场的真实剪切效应，在蜡晶聚集行为描述中突破一直以来采用盒计数法的局限性，拓展运用分形方法衡量并表征剪切效应对蜡晶聚集行为的影响，进而为剪切流场蜡沉积作用机制的科学、深入描述提供基础，已成为一个亟待解决的问题。

三、发明内容：

本发明的一个目的是提供定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验装置，本发明的另一个目的是提供定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验装置定量表征方法，它用于解决现有技术对蜡晶图像摄取时不能同步于含蜡原油所经历的不同水动力条件，以及表征蜡晶聚集行为时会损失图像灰度信息、特别是理想化了分布区域蜡晶结构形态而使得定量化参数不可靠的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验装置包括隔水式铜制剪切罐、循环水套、程控浴槽、惰气压力源、电磁阀、微量柱塞泵、偏光显微镜、冷热台、数据采集与控制系统，程控浴槽与循环水套连接，程控浴槽中设置温度传感器和内循环泵；惰气压力源通过管线连接隔水式铜制剪切罐，该管线上压力控制阀；循环水套环绕在隔水式铜制剪切罐外，隔水式铜制剪切罐内设置压力传感器，剪切定子头通过剪切传动系统置于隔水式铜制剪切罐内，来油阀组和排液阀组分别设置在隔水式铜制剪切罐的顶部和底部，隔水式铜制剪切罐下部设置的出油管线依次连接电磁阀和微量柱塞泵，微量柱塞泵出口连接转向接头，转向接头连接可旋式不锈钢毛细管，可旋式不锈钢毛细管末端管口设置在载玻片正上方10mm的位置，载玻片设置在冷热台上，冷热台外接标配图像采集系统的偏光显微镜；电磁阀、微量柱塞泵、剪切传动系统、偏光显微镜、温度传感器、压力传感器均连接到数据采集与控制系统。

上述方案中隔水式铜制剪切罐的锥度为1:2，剪切定子头通过剪切传动系统置于隔水式铜制剪切罐1/3高度的位置，转速范围0～8000r/min。

上述方案中微量柱塞泵为50μL定量控制，以进一步保证各剪切模式蜡晶图像摄取时稳定含蜡原油量的同步供给。

上述定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验装置定量表征方法：

步骤一、同步于含蜡原油剪切模式的蜡晶图像摄取：根据含蜡原油管输热力学条件，设置并启动程控浴槽，恒定控制循环水套内的温度，然后结合管输水动力条件，也就是管输剪切率，基于下式确定剪切定子头的转速：

其中，N为转速，为剪切率，k常数，取值为10；

进而开启剪切传动系统，对隔水式铜制剪切罐中的含蜡原油进行某一模式的扰动剪切，在再现一定剪切效应或经历一定剪切历史后，同步打开电磁阀，通过微量柱塞泵将含蜡原油至冷热台上部载玻片上，冷热台上部载玻片上的热力学条件与隔水式铜制剪切罐内的热力学条件一致，利用标配图像采集系统的偏光显微镜摄取含蜡原油中的蜡晶原始图像；

步骤二、蜡晶图像灰度信息的生成、分割及灰度图像提取：利用普适性图像特征处理软件对步骤一获得的蜡晶原始图像进行灰度化，然后按照对图像有m行、n列的像素点划分，读取得到一个m*n阶的关于蜡晶原始图像数据信息的二维数组，数组中的数值便为蜡晶原始图像各个像素点的灰度值g(i,j)，然后，基于该数组统计各像素点灰度值的分布，得到各灰度值的分布比例，同时，选择数组中高数值和低数值过渡区域内的某一些数值，按照下式分别衡量数组中数值分布的反差程度：

s＝r₁·r₂·(g₁-g₂)²

其中，s为数值反差程度，r₁为高于选择值的数值在二维数组中所占的比例，r₂为低于选择值的数值在二维数组中所占的比例，g₁为高于选择值的数值平均值，g₂为低于选择值的数值平均值；

比较由这些选择值分别得到的数值反差程度s，将s最大时所对应的选择值作为蜡晶原始图像的灰度临界值，之后，将灰度值低于该临界值的像素点归为油相区域，并对数组中相应的数值取为这些灰度值中的最低值，高于该临界值的像素点全部归为蜡晶分布区域，数组中的相应数值保留原值，从而分割、提取保留了有用灰度信息的蜡晶灰度图像；

步骤三、蜡晶灰度图像空间曲面特征参数获取：将步骤二获得的蜡晶灰度图像看作为三维空间曲面，曲面各点的高度即为相应像素点的灰度值g(i,j)，然后，以δ的距离分别在该三维空间曲面的上下两侧构建包围此灰度图像的多级覆盖曲面，δ为0时，上下两侧的覆盖曲面便与灰度图像叠合，其表面各点(i,j)的高度满足下式：

T₀(i,j)＝L₀(i,j)＝g(i,j)

其中，T₀(i,j)为δ＝0时上侧覆盖面各个点的高度，L₀(i,j)为δ＝0时下侧覆盖面各个点的高度；

蜡晶图像空间曲面与其覆盖曲面间的距离δ为1，2，3，……时，即在蜡晶灰度图像上下两侧同步、等距、逐级进行曲面覆盖时，相应覆盖级数ε在数值上等于δ，也为1，2，3，……，覆盖曲面与灰度图像呈层状，其表面各点(i,j)的高度按下式确定：

上覆盖面：

下覆盖面：

其中，表示在任一级上覆盖面各个点(i,j)的四邻域内，其前一级覆盖曲面所辖点(k,h)高度的最大值；表示在任一级下覆盖面各个点(i,j)的四邻域内，其前一级覆盖曲面所辖点(k,h)高度的最小值；

从而，根据曲面高度与像素点灰度值的相对应关系，得到关于蜡晶灰度图像各覆盖级数下，再现其覆盖面图像数据信息的新的m*n阶二维数组，也就是获取了蜡晶灰度图像空间曲面特征参数之一——反映图像灰度值的高度；

之后，在上、下覆盖曲面间取底面积为1的长方微元体，按下式确定灰度图像任一级上、下覆盖面所包围空间的体积Vol_ε：

任一级覆盖某剪切效应下蜡晶图像的空间曲面的表面积S_ε便为：

这样，也就获取了蜡晶灰度图像空间曲面特征参数之二——反映蜡晶结构形态的表面积；

步骤四、蜡晶分形维数确定：

基于Richardson定律：

S＝Fδ^2-D

其中，D为蜡晶的分形维数，F为常数。

可得到：

其中，ε＝1，2，3，4，5。

统计上述步骤三中获得某剪切效应下蜡晶图像的空间曲面的表面积S_ε，建立{lgS_ε，lgδ_ε}的散点图，其中ε＝1，2，3，4，5，6，对散点数据进行线性回归，得到回归直线的斜率k，则某剪切效应下的蜡晶分形维数D可利用下式求解：

D＝2-k；

步骤五、重复步骤一至步骤四，求得其它剪切效应下的蜡晶分形维数；

步骤六、建立剪切效应与蜡晶分形维数的函数关系，以蜡晶分形维数的大小分布及其变化规律定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为的影响。

上述方案中对同步于含蜡原油剪切模式的蜡晶图像摄取时，剪切效应的再现根据实际管输剪切率确定隔水式铜制剪切罐中等效的剪切定子头转速来实现。

上述方案中对同步于含蜡原油剪切模式的蜡晶图像摄取时，基于定量控制的微量柱塞泵实时取得含蜡原油中蜡晶图像摄取与其经历剪切模式的连续和同步。

上述方案中对蜡晶图像灰度信息的生成、分割及灰度图像提取，其灰度临界值由反映蜡晶原始图像数据信息的二维数组中数值分布的反差程度变化来确定。

上述方案中在蜡晶图像灰度信息的生成、分割及灰度图像提取时，将灰度值低于灰度临界值的像素点归为油相区域，并对数组中相应的数值取为这些灰度值中的最低值，高于灰度临界值的像素点全部归为蜡晶分布区域，数组中的相应数值保留为原值。

上述方案中对蜡晶灰度图像空间曲面特征参数获取时，蜡晶灰度图像空间曲面的覆盖级数ε为6。

上述方案中对蜡晶分形维数的确定中，反映蜡晶结构形态的表面积对数lgS_ε与图像覆盖面的目标距离对数lgδ_ε构成的系列数据点回归采用线性回归法。

有益效果：

(一)本发明对含蜡原油蜡晶图像的摄取充分考虑了与其剪切过程的连续和同步，形成的同步于含蜡原油剪切模式的蜡晶显微成像一体化装置使所摄取图像能够实时再现含蜡原油所经历的实际剪切效应，同时，在等效剪切模式构建中，除了科学化关联剪切率和转速外，在不同水动力条件创设中，既实现了对温度条件的连续调节与控制，又引入了对压力场环境的调控，有效保证剪切效应对管输实际蜡晶聚集行为影响表征的科学性与可靠性。

(二)本发明在同步于含蜡原油剪切模式来摄取蜡晶图像的基础上，相比于二值化处理，对蜡晶原始图像进行灰度化处理，既极大地方便了对反馈图像信息的数学表达，又能够最大化保留图像信息，减少图像信息损失，同时采用统计思想确定数值反差程度再现图像各像素点灰度值的均匀性，有益于获取更为科学而准确的灰度临界值，特别地，对于低于临界值的油相区域取最低灰度值，高于临界值的蜡晶分布区域取原始灰度值，能够有效保留蜡晶图像的原始真实数据信息，避免像二值化处理中非黑即白的绝对化，并充分体现蜡晶的结构形态差异。

(三)本发明将灰度化的蜡晶图像看作为三维空间曲面，并以目标距离δ在其上下两侧同步、逐级构建覆盖曲面，通过对各级上覆盖面表面各点高度取最大有效值，对相应各级下覆盖面表面各点高度取最小有效值而构建关于蜡晶灰度图像数据信息的新的二维数组，从而能够最终实现将整个空间视域全部包覆而纳入图像有效信息，在避免图像损失的同时，保证了反映分布区域蜡晶结构形态差异及图像灰度值的空间曲面特征参数可靠获取。

(四)本发明根据蜡晶形态、结构属于非线性分形体的事实，采用确定过程中充分考虑蜡晶结构形态差异的分形维数来衡量蜡晶微观聚集行为，并基于对含蜡原油不同剪切模式下蜡晶显微成像的分割、提取及特征信息参数获取，建立分形维数的大小分布及变化规律，有益于量化表征含蜡原油管输剪切效应对蜡晶聚集行为的影响，并达到从微观层面揭示含蜡原油管输工艺特征的目标。

(五)本发明方法科学，原理明确、可行，结构合理，技术参数规范、可调，能突破含蜡原油管输工艺常规等效剪切模式构建、传统再现剪切效应的蜡晶图像摄取及一直以来盒计数法确定蜡晶分形维数的局限，有效提供一种充分考虑剪切模式下蜡晶图像摄取同步性、图像灰度信息完整性的试验装置及方法，可操作性和实用性强。

(六)本发明填补了运用科学化试验和理论方法从蜡晶聚集行为角度再现并揭示含蜡原油管输工艺特征的空白，能够为剪切流场蜡沉积作用机制的科学、深入描述提供重要基础，也可为含蜡原油管道运行中清管工艺方案的选择制定提供科学依据，既可应用在含蜡原油长距离管道输送领域，又可推广应用到包括含蜡原油-水两相、含蜡原油-水-气三相等在内的油田矿场集输领域。

四、附图说明：

图1为本发明装置的结构示意图；

图2同步于含蜡原油剪切效应1(等效剪切转速60r/min)摄取的蜡晶原始图像；

图3同步于含蜡原油剪切效应2(等效剪切转速600r/min)摄取的蜡晶原始图像；

图4同步于含蜡原油剪切效应3(等效剪切转速6000r/min)摄取的蜡晶原始图像；

图5剪切效应1下蜡晶原始图像的数据信息及其像素点灰度值分布；

图6剪切效应2下蜡晶原始图像的数据信息及其像素点灰度值分布；

图7剪切效应3下蜡晶原始图像的数据信息及其像素点灰度值分布；

图8剪切效应1下蜡晶灰度图像的提取及其数据信息；

图9剪切效应2下蜡晶灰度图像的提取及其数据信息；

图10剪切效应3下蜡晶灰度图像的提取及其数据信息；

图11剪切效应1下{lgS_ε，lgδ_ε}散点数据线性回归；

图12剪切效应2下{lgS_ε，lgδ_ε}散点数据线性回归；

图13剪切效应3下{lgS_ε，lgδ_ε}散点数据线性回归；

图14保密性试验中蜡晶分形维数与含蜡原油经历剪切效应的关系。

图中：1隔水式铜制剪切罐 2循环水套 3程控浴槽 4惰气压力源 5电磁阀 6微量柱塞泵 7偏光显微镜 8冷热台 9数据采集与控制系统 10内循环泵 11剪切定子头 12剪切传动系统 13转向接头 14可旋式不锈钢毛细管 15载玻片 16温度传感器 17压力控制阀18压力传感器 19来油阀组 20排液阀组。

五、具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，这种定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验装置包括外壁设循环水套2的隔水式铜制剪切罐1，为了保证一定剪切模式下有效剪切效应的再现和获取，其采用1:2的锥度；通过内嵌内循环泵10的程控浴槽3与循环水套2对接来实现隔水式铜制剪切罐1内均匀热力条件的连续调节与控制，相应温度的监测利用程控浴槽3中的温度传感器16，同时惰气压力源4通过压力控制阀17接入隔水式铜制剪切罐1内，以取得对其压力场环境的实时调控，相应压力的监测利用隔水式铜制剪切罐1内的压力传感器18；剪切定子头11通过剪切传动系统12置于隔水式铜制剪切罐1内1/3高度的位置，保证剪切作用的充分和有效利用，隔水式铜制剪切罐1的来油阀组19和排液阀组20分别设置在其顶部和底部，其下部引出的出油管线依次连接电磁阀5和微量柱塞泵6，通过二者的实时控制来实现隔水式铜制剪切罐1与冷热台8的对接，其中，微量柱塞泵6出口通过连接于转向接头13的可旋式不锈钢毛细管14引至冷热台8上部载玻片15区域的正上方10mm位置，且微量柱塞泵6为50μL定量控制，以更好地保证各剪切模式蜡晶图像摄取时稳定含蜡原油量的同步供给；外接标配图像采集系统的偏光显微镜7，用以载玻片15上经历不同剪切模式的原油蜡晶聚集成像。另外，包括电磁阀5、微量柱塞泵6、剪切传动系统12、偏光显微镜7、温度传感器16及压力传感器18等电气设备、仪表均连接到数据采集与控制系统9。

上述定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验装置定量表征方法：

(一)设置并启动程控浴槽3、内循环泵10和冷热台8，由来油阀组19向隔水式铜制剪切罐1中加入某性质的含蜡原油，打开惰气压力源4，并通过压力控制阀17调控剪切模式所需的压力，待温度传感器16和压力传感器18达到需要的示值并稳定后，开启剪切传动系统12，按照下式确定剪切定子头11的转速：

其中，N为剪切定子头11的转速，为管输剪切模式下的剪切率，k取值为常数10。

在含蜡原油按照该等效剪切转速经历充分扰动剪切的同时，将可旋式不锈钢毛细管14旋至载玻片15区域的正上方，并打开电磁阀5，由定量控制的微量柱塞泵6将该含蜡原油引流至载玻片15上，启动偏光显微镜7，进行该含蜡原油的显微成像及图像采集。由此实现同步于含蜡原油某剪切模式的蜡晶图像摄取。

结合含蜡原油实际管输热力和水动力特征，设置其它的温度、压力及转速条件，排空可旋式不锈钢毛细管14，更换载玻片15，重复同样的方法和过程，还可摄取同步于含蜡原油另一剪切模式的蜡晶原始图像。

(二)完成对同步于含蜡原油剪切模式的蜡晶图像摄取后，打开排液阀组20进行排液，必要时通过来油阀组19加入油污清洗剂对隔水式铜制剪切罐1及管路、阀组进行清理，结束蜡晶图像摄取过程，并为另性质含蜡原油、另扰动剪切模式蜡晶显微成像做好试验准备。

(三)将同步于含蜡原油某剪切模式所摄取的蜡晶图像利用普适性图像特征处理软件(如MATLAB、ImageJ等)进行灰度化，然后对应于灰度化图像的分辨率大小(如n×m)，按照对其有m行、n列的像素点进行划分，读取得到一个m*n阶的关于蜡晶原始图像数据信息的二维数组矩阵，也就形成了图像信息的数学表达，矩阵中的各个数值便为蜡晶原始图像各个像素点的灰度值g(i,j)。

基于图像各个像素点的灰度值g(i,j)，从统计方法出发，建立灰度值分布图，选择其中高、低灰度分布过渡区域的某一些灰度值，也就是数组矩阵中高数值和低数值过渡区间内的某一些数值，按照下式分别衡量图像灰度分布的反差程度，也就是灰度值的均匀性：

s＝r₁·r₂·(g₁-g₂)²

其中，s为数组矩阵中数值反差程度，r₁为高于选择值的数值在数组矩阵中所占的比例，r₂为低于选择值的数值在数组矩阵中所占的比例，g₁为高于选择值的数值平均值，g₂为低于选择值的数值平均值。

然后比较由这些选择灰度值分别所得到的数值反差程度s，并将s最大时所对应的选择值作为蜡晶原始图像的灰度临界值。

于是，将灰度值低于该临界值的像素点归为油相区域，并对数组矩阵中相应的数值取为这些灰度值中的最低值，将高于该临界值的像素点全部归为蜡晶分布区域，对数组矩阵中的相应数值保留原值。

由此实现蜡晶图像有用灰度信息的生成、分割、保留及灰度图像提取。

(四)在分割、提取保留了有用灰度信息的某剪切模式下蜡晶灰度图像后，将蜡晶灰度图像看作为三维空间曲面，曲面各点的高度即为相应像素点的灰度值g(i,j)，以δ(δ为0～6之间的整数)的目标距离分别在该三维空间曲面的上下两侧同步、等距、逐级构建包围此灰度图像的多级覆盖曲面，以实现将整个空间视域全部包覆而避免图像信息损失，同时充分考虑蜡晶结构形态的差异。

当δ为0时，上、下两侧的覆盖曲面便与灰度图像叠合，其表面各点(i,j)的高度满足下式：

T₀(i,j)＝L₀(i,j)＝g(i,j)

其中，T₀(i,j)为δ＝0时上侧覆盖面各个点的高度，L₀(i,j)为δ＝0时下侧覆盖面各个点的高度。

当δ为1，2，3，4，5，6时，相应覆盖级数ε也为1，2，3，4，5，6，覆盖曲面与灰度图像呈层状，按下式确定1～6级覆盖曲面表面各点(i,j)的高度：

对于任一级上覆盖面：

对于任一级下覆盖面：

其中，表示在1～6级中任一级上覆盖面各个点(i,j)的四邻域内，其前一级覆盖曲面所辖点(k,h)高度的最大值；表示在1～6级中任一级下覆盖面各个点(i,j)的四邻域内，其前一级覆盖曲面所辖点(k,h)高度的最小值。

这样，便可得到1～6级覆盖曲面任一级空间曲面的表面各点高度，而根据曲面各点高度与图像像素点灰度值间的相对应关系，也就相当于得到了关于蜡晶灰度图像各覆盖级数下，再现其覆盖面图像数据信息的新的m*n阶二维数组矩阵。

然后，在上、下覆盖曲面间取底面积为1的长方微元体，按下式确定灰度图像1～6级覆盖曲面中任一级上、下覆盖面所包围空间的体积Vol_ε：

其中，T_δ(i,j)为1～6级覆盖曲面中任一级上覆盖面表面各点的高度；L_δ(i,j)为1～6级覆盖曲面中任一级下覆盖面表面各点的高度。

于是，对于某剪切效应下的蜡晶图像，按下式确定1～6级覆盖曲面中任一级覆盖该图像的空间曲面表面积S_ε：

其中，Vol_ε为1～6级覆盖曲面中任一级上、下覆盖面所包围空间的体积；Vol_ε-1为对应前一级上、下覆盖面所包围空间的体积。

由此实现蜡晶灰度图像空间曲面特征参数获取，包括反映图像灰度值的高度及反映蜡晶结构形态的表面积。

(五)基于Richardson定律：

S＝Fδ^2-D

其中，D为蜡晶的分形维数，F为常数。

对变量取对数可以得到：

其中，同时根据上述方法和过程(三)，ε＝1，2，3，4，5。

然后，统计上述方法和过程(三)中获取的某剪切效应下蜡晶灰度图像空间曲面特征参数S_ε，与对应覆盖曲面级数的目标距离δ_ε相组配，建立{lgS_ε，lgδ_ε}的散点图。

其中，ε＝1，2，3，4，5，6。

通过对散点数据进行线性回归，得到回归直线的斜率k，按下式求解该剪切效应下的蜡晶分形维数D：

D＝2-k

由此实现含蜡原油经历剪切效应下蜡晶分形维数的确定。

步骤五、重复步骤一至步骤四，求得其它剪切效应下的蜡晶分形维数。

步骤六、完成含蜡原油不同剪切模式下蜡晶分形维数的确定后，建立剪切效应与蜡晶分形维数的函数关系，以蜡晶分形维数的大小分布及其变化规律定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为的影响，完整结束剪切效应对蜡晶聚集行为影响的定量表征过程。

本发明通过同步于含蜡原油剪切模式的蜡晶图像摄取、蜡晶图像有用灰度信息的生成、分割、保留及灰度图像提取、蜡晶灰度图像空间曲面特征参数获取、以及含蜡原油经历剪切效应下蜡晶分形维数的确定，针对剪切流场原油中析出蜡晶形态、结构，特别是其聚集行为的定量表征，能够实现对含蜡原油经历不同热力及水动力条件的蜡晶图像同步摄取，保证图像信息的完整性和图像特征参数获取的全面性，并充分考虑分布区域蜡晶的结构形态差异，构建助解剪切流场蜡沉积作用机制科学、深入描述难题的科学有效方法，提供保障含蜡原油管道高效运行的有益途径。

保密性实验：

采用本发明所述定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验装置及方法进行了保密性试验，试验含蜡原油的凝固点为30.2℃，析蜡点为38.0℃，析蜡高峰温度为36.5℃，含蜡量为25.7％，实施例涉及了3种不同的管输剪切率(10s^-1，100s^-1和1000s^-1)，图2、图3、图4为同步于含蜡原油3种剪切效应所摄取的蜡晶原始图像(温度：35℃；压力：1.5MPa；偏光显微镜放大倍数：100X)。

基于蜡晶原始图像2048×1536的分辨率，利用MATLAB读取得到关于各剪切效应下蜡晶原始图像数据信息的1536×2048阶二维数组矩阵，形成如图5、图6、图7所示各图像信息的数学表达及各像素点的灰度值分布。

从而，通过对数值反差程度的分析，得到3种不同剪切效应下蜡晶原始图像的灰度临界值分别为31，24和50，于是提取灰度图像并构建相应保留了有用灰度信息的图像数据矩阵，如图8、图9、图10。

以该保留了有用灰度信息的图像数据矩阵为基础，即可建立1～6级覆盖曲面中各级覆盖面的数据信息，获取到其空间曲面的表面各点高度，从而求得图像1～6级覆盖曲面的表面积，见表1：

表1不同剪切效应下蜡晶灰度图像各级覆盖曲面的表面积

组配各剪切效应下蜡晶灰度图像空间曲面特征参数S_ε和所对应覆盖曲面级数的目标距离δ_ε，建立如图11、图12、图13所示{lgS_ε，lgδ_ε}的散点图并进行线性回归，得到回归直线的斜率k。

图14便为据上确定的蜡晶分形维数D及其与实例含蜡原油所经历剪切效应的关系。

显然，基于本发明装置及方法实现了对剪切效应影响下蜡晶分形维数大小分布的定量识别，而作为非线性的分形体，蜡晶分形维数反映着其聚集行为，分形维数减小，聚集行为加剧，因此，也就实现了剪切效应对蜡晶聚集行为影响的定量表征。

本发明很好地解决了目前技术对蜡晶图像摄取时不能同步于含蜡原油所经历的不同水动力条件，以及表征蜡晶聚集行为时会损失图像灰度信息、特别是理想化了分布区域蜡晶结构形态而使得反映聚集行为的定量化参数确定不科学、不可靠的问题。原理明确、思路清晰、过程科学、参数规范、易取，可操作性强，便于含蜡原油长距离管道输送领域及含蜡原油多相矿场集输领域中推广应用，尤其通过运用科学化试验和理论方法从蜡晶聚集行为角度再现并揭示含蜡原油管输工艺特征，能够为剪切流场蜡沉积作用机制的科学、深入描述提供重要基础。

Claims (4)

1.一种定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验装置，其特征在于：这种定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验装置包括隔水式铜制剪切罐(1)、循环水套(2)、程控浴槽(3)、惰气压力源(4)、电磁阀(5)、微量柱塞泵(6)、偏光显微镜(7)、冷热台(8)、数据采集与控制系统(9)，程控浴槽(3)与循环水套(2)连接，程控浴槽(3)中设置温度传感器(16)和内循环泵(10)；惰气压力源(4)通过管线连接隔水式铜制剪切罐(1)，该管线上设置压力控制阀(17)；循环水套(2)环绕在隔水式铜制剪切罐(1)外，隔水式铜制剪切罐(1)内设置压力传感器(18)，剪切定子头(11)通过剪切传动系统(12)置于隔水式铜制剪切罐(1)内，来油阀组(19)和排液阀组(20)分别设置在隔水式铜制剪切罐(1)的顶部和底部，隔水式铜制剪切罐(1)下部设置的出油管线依次连接电磁阀(5)和微量柱塞泵(6)，微量柱塞泵(6)出口连接转向接头(13)，转向接头(13)连接可旋式不锈钢毛细管(14)，可旋式不锈钢毛细管(14)末端管口设置在载玻片(15)正上方10mm的位置，载玻片(15)设置在冷热台(8)上，冷热台(8)外接标配图像采集系统的偏光显微镜(7)；电磁阀(5)、微量柱塞泵(6)、剪切传动系统(12)、偏光显微镜(7)、温度传感器(16)、压力传感器(18)均连接到数据采集与控制系统(9)。

2.根据权利要求1所述的定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验装置，其特征在于：所述的隔水式铜制剪切罐(1)的锥度为1:2，剪切定子头(11)通过剪切传动系统(12)置于隔水式铜制剪切罐(1)1/3高度的位置，转速范围0～8000r/min。

3.根据权利要求2所述的定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验装置，其特征在于：所述的微量柱塞泵(6)为50μL定量控制。

4.一种定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验方法，其利用了权利要求3所述的定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验装置，其特征在于：

步骤一、同步于含蜡原油剪切模式的蜡晶图像摄取：根据含蜡原油管输热力学条件，设置并启动程控浴槽(3)，恒定控制循环水套(2)内的温度，然后结合管输水动力条件，也就是管输剪切率，基于下式确定剪切定子头的转速：

其中，N为转速，γ&为剪切率，k常数，取值为10；

进而开启剪切传动系统(12)，对隔水式铜制剪切罐(1)中的含蜡原油进行某一模式的扰动剪切，在再现一定剪切效应或经历一定剪切历史后，同步打开电磁阀(5)，通过微量柱塞泵(6)将含蜡原油至冷热台(8)上部载玻片(15)上，冷热台(8)上部载玻片(15)上的热力学条件与隔水式铜制剪切罐(1)内的热力学条件一致，利用标配图像采集系统的偏光显微镜(7)摄取含蜡原油中的蜡晶原始图像；

步骤二、蜡晶图像灰度信息的生成、分割及灰度图像提取：利用普适性图像特征处理软件对步骤一获得的蜡晶原始图像进行灰度化，然后按照对图像有m行、n列的像素点划分，读取得到一个m*n阶的关于蜡晶原始图像数据信息的二维数组，数组中的数值便为蜡晶原始图像各个像素点的灰度值g(i,j)，然后，基于该数组统计各像素点灰度值的分布，得到各灰度值的分布比例，同时，选择数组中高数值和低数值过渡区域内的某一些数值，按照下式分别衡量数组中数值分布的反差程度：

s＝r₁·r₂·(g₁-g₂)²

其中，s为数值反差程度，r₁为高于选择值的数值在二维数组中所占的比例，r₂为低于选择值的数值在二维数组中所占的比例，g₁为高于选择值的数值平均值，g₂为低于选择值的数值平均值；

比较由这些选择值分别得到的数值反差程度s，将s最大时所对应的选择值作为蜡晶原始图像的灰度临界值，之后，将灰度值低于该临界值的像素点归为油相区域，并对数组中相应的数值取为这些灰度值中的最低值，高于该临界值的像素点全部归为蜡晶分布区域，数组中的相应数值保留原值，从而分割、提取保留了有用灰度信息的蜡晶灰度图像；

步骤三、蜡晶灰度图像空间曲面特征参数获取：将步骤二获得的蜡晶灰度图像看作为三维空间曲面，曲面各点的高度即为相应像素点的灰度值g(i,j)，然后，以δ的距离分别在该三维空间曲面的上下两侧构建包围此灰度图像的多级覆盖曲面，δ为0时，上下两侧的覆盖曲面便与灰度图像叠合，其表面各点(i,j)的高度满足下式：

T₀(i,j)＝L₀(i,j)＝g(i,j)

其中，T₀(i,j)为δ＝0时上侧覆盖面各个点的高度，L₀(i,j)为δ＝0时下侧覆盖面各个点的高度；

蜡晶图像空间曲面与其覆盖曲面间的距离δ为1，2，3，……时，即在蜡晶灰度图像上下两侧同步、等距、逐级进行曲面覆盖时，相应覆盖级数ε在数值上等于δ，也为1，2，3，……，覆盖曲面与灰度图像呈层状，其表面各点(i,j)的高度按下式确定：

上覆盖面：

下覆盖面：

其中，表示在任一级上覆盖面各个点(i,j)的四邻域内，其前一级覆盖曲面所辖点(k,h)高度的最大值；表示在任一级下覆盖面各个点(i,j)的四邻域内，其前一级覆盖曲面所辖点(k,h)高度的最小值；

从而，根据曲面高度与像素点灰度值的相对应关系，得到关于蜡晶灰度图像各覆盖级数下，再现其覆盖面图像数据信息的新的m*n阶二维数组，也就是获取了蜡晶灰度图像空间曲面特征参数之一——反映图像灰度值的高度；

之后，在上、下覆盖曲面间取底面积为1的长方微元体，按下式确定灰度图像任一级上、下覆盖面所包围空间的体积Vol_ε：

任一级覆盖某剪切效应下蜡晶图像的空间曲面的表面积S_ε便为：

这样，也就获取了蜡晶灰度图像空间曲面特征参数之二——反映蜡晶结构形态的表面积；

步骤四、蜡晶分形维数确定：

基于Richardson定律：

S＝Fδ^2-D

其中，D为蜡晶的分形维数，F为常数；

可得到：

其中，ε＝1，2，3，4，5；

统计上述步骤三中获得某剪切效应下蜡晶图像的空间曲面的表面积S_ε，建立{lgS_ε，lgδ_ε}的散点图，其中ε＝1，2，3，4，5，6，对散点数据进行线性回归，得到回归直线的斜率k，则某剪切效应下的蜡晶分形维数D利用下式求解：

D＝2-k；

步骤五、重复步骤一至步骤四，求得其它剪切效应下的蜡晶分形维数；

步骤六、建立剪切效应与蜡晶分形维数的函数关系，以蜡晶分形维数的大小分布及其变化规律定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为的影响。