CN107255672B - 基于超声波测量原油压缩系数实验系统及方法 - Google Patents

基于超声波测量原油压缩系数实验系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超声波测量原油压缩系数实验系统及方法，系统包括控温装置、搅拌装置和信号采集装置。搅拌装置包括承载原油的壳体，所述壳体内设置有搅拌装置，控温装置设置于壳体外侧，以控制壳体内原油的温度；壳体的壳壁不同位置处设置有多对超声波传感器，超声波传感器与信号采集装置连接，通过调节控温装置的温度和搅拌装置的搅拌速度，利用超声波为媒介测量原油的超声波速，原油密度由密度计同步测出，计算得到原油在不同温度、不同剪切状态下的压缩系数。

Description

基于超声波测量原油压缩系数实验系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于超声波测量原油压缩系数实验系统及方法。
背景技术
原油是一种由蜡、胶质、沥青质，芳香烃以及轻烃等为主要成分的复杂混合体系。当油温高于析蜡点时，油中的蜡以分子形式存在于液态原油中，原油表现为牛顿流体的性质；油温降至析蜡点以下，由于原油中轻质烃对蜡的溶解度下降，处于溶解状态的蜡因过饱和而按分子量由大到小的次序，随温度下降依次结晶析出，形成蜡晶小颗粒悬浮于液态原油中。油温降低，析出的蜡晶颗粒不断增多，流变特性从牛顿流体转变为非牛顿流体(假塑性流体)；油温继续降低，析蜡量进一步增加，蜡晶颗粒互相联结形成絮凝结构；当析蜡量占原油总质量的2％～5％，蜡晶颗粒絮凝体相互交联，形成三维海绵状空间网络结构，将液态油束缚其中，原油在整体上由溶胶状态转变成凝胶状态，并表现出复杂的非牛顿流变行为，如触变性、黏弹性和屈服应力等。
到目前为止，针对胶凝原油压缩性的测试方法并不成熟。目前，原油压缩系数通过压缩实验确定，即对体积为V的原油直接加压ΔP，测量其体积变化量ΔV，利用公式
Figure BDA0001365300200000011
计算压缩系数α。当原油温度在析蜡点温度以上，油中蜡以分子的形式溶解于液态原油当中，此时原油为牛顿流体；若忽略压缩装置本身的微量不可预知变形，则压缩系数地测量相对较准确。然而，当油温低于析蜡点，蜡不断结晶析出并相互交联，原油胶凝，由液态逐渐向胶凝态(固态)转变，开始表现出粘弹性、屈服应力和触变性等特性。此种情况下，压缩实验中当施加压力时，由于胶凝原油具有粘弹性和屈服应力，导致胶凝原油内部各部分之间的压力分布不再均匀，且胶凝原油与容器壁之间存在阻力，导致压缩系数的测量结果偏差较大。
此外，原油管道在停输后的重新再启动过程中，随时间进行，蜡晶网络结构逐步遭到破坏，胶凝结构强度逐步减弱。而目前对压缩系数的测量只能在静态状态下进行，无法测量和表征胶凝原油在不同结构(剪切)状态下的压缩系数。因此，开发一种新的实验方法测量和表征胶凝原油不同结构(剪切)状态下的压缩系数具有十分重要的现实意义。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于超声波测量原油压缩系数实验系统及方法，本发明能够实现测量原油在不同温度、不同剪切状态下的压缩系数。
本发明的第一目的是提供一种基于超声波测量原油压缩系数实验系统，本系统利用循环控温系统以控制原油温度，利用搅拌系统对原油进行搅拌剪切，同时设置信号采集装置以测量原油的超声波速。
本发明的第二目的是提供一种基于上述实验系统的工作方法，能够测量原油在不同温度、不同剪切状态下的压缩系数。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于超声波测量原油压缩系数实验系统，包括控温装置、搅拌装置、和信号采集装置；其中，所述搅拌装置包括承载原油的壳体，所述壳体内设置有搅拌部件，所述控温装置设置于壳体外侧，以控制壳体内的原油温度。
所述壳体的壳壁不同位置处设置有多个超声波传感器，超声波传感器与信号发生器连接，通过调节控温装置的温度和搅拌装置的搅拌速度，利用超声波为媒介测量原油的超声波速，计算得到原油在不同温度、不同剪切状态下的压缩系数。
进一步的，所述控温装置包括控温循环水浴和控温水槽，控温循环水浴与控温水槽形成水循环，所述壳体设置于控温水槽内，以控制原油温度。
进一步的，所述搅拌部件包括电机、搅拌轴和搅拌桨叶，所述电机驱动搅拌桨叶围绕搅拌轴运动。
进一步的，所述搅拌桨叶上设置有温度传感器，可实时测量原油温度。
进一步的，所述壳体上侧设置有防溅盖，以防止搅拌过程中原油飞溅并减小原油的挥发。
进一步的，所述壳体壳壁同一高度处安装有多对超声波传感器，且超声波传感器沿筒壁圆周均匀分布，测量不同方向原油超声波速，以减少原油内部杂质对超声波速测量的影响，增加测试准确度。
进一步的，所述超声波传感器为超声波探头，探头为带有螺纹的悬进式探头，超声波探头与原油直接接触，防止金属筒壁的影响，使原油中超声波速测量更加精确。
进一步的，所述信号采集装置包括信号发生器和示波器；超声波传感器连接信号发生器，所述信号发生器连接示波器。
进一步的，所述搅拌桨为锚式搅拌桨，搅拌桨搅拌时会产生切向流动，在桨叶边缘形成一定剪切，使容器壁附近的胶凝原油能够受到较好地剪切，也使搅拌罐内的搅拌更加均匀；搅拌桨轴心处留空，不设置拌桨杆；搅拌桨内部及外部拐角处均采用圆弧过渡设计，以减弱搅拌时搅拌桨叶周围的流场畸变。
基于上述系统的工作方法，通过调节控温装置的温度，使原油处于不同的温度；控制搅拌装置的搅拌速度，赋予原油不同剪切状态；利用超声波为媒介测量原油的超声波速，可计算得到原油在不同温度、不同剪切状态下的压缩系数。
压缩系数α的计算方法为：
Figure BDA0001365300200000041
密度通过密度计同步测出。通过测量测试介质的超声波速ν和密度ρ，由公式(1)即可计算得到介质的压缩系数α。
信号发生器发射脉冲信号，超声波探头将脉冲信号转化为超声波发射至原油中，传递到装置另一端的超声波探头，探头将超声波信号转换为电信号并传送到信号发生器；信号发生器连接示波器，准确地记录两次电信号的时间t1、t2。根据超声波在原油中传递时间Δt和两个探头间的距离ΔL，计算超声波速度v＝ΔL/Δt。
进一步的，利用蒸馏水标定一对超声波探头之间的距离ΔL，标定时测量测试温度范围内超声波在蒸馏水中的传播时间，依据相应温度下蒸馏水声速v水，声速v水与传播时间之间的乘积便是超声波探头之间的距离ΔL。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)利用本发明设计的装置，以超声波为媒介测量原油的超声波速，可准确地得出原油在不同温度、不同剪切状态下的压缩系数；
(2)利用超声波探头、信号发生器和示波器的组合进行超声波速的测量，探头选用带有螺纹的悬进式探头，使超声波探头与原油直接接触，防止金属筒壁的影响，使原油中超声波速地测量更加精确；
(3)通过在同一高度处安装有多对超声波探头，可以测量不同方向的原油超声波速，以减少原油内部杂质对超声波速测量的影响，提高准确度；
(4)利用控温循环水浴、控温水槽(及搅拌罐)组合形成水循环控温系统，减小水槽体积以加速水循环，达到更好地控温效果，有效地提高控温精度；同时水循环控温系统和温度传感器联合可实现原油温度的精确控制，并可实现控制原油的降温速率和升温速率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明的搅拌桨结构图；
图2是本发明的装置结构图。
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。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有压缩系数的测量方法中存在当施加压力时，由于胶凝原油具有粘弹性和屈服应力，导致原油内部各部分之间的压力分布不再均匀，且原油与容器壁之间存在阻力，导致压缩系数的测量结果存在偏差；且目前对压缩系数的测量只能是在静态状态下进行，无法测量和表征胶凝原油在不同结构(剪切)状态下的压缩系数。为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于超声波测量原油压缩系数实验系统及方法。
本申请的一种典型的实施方式如图1所示，提供了一种基于超声波测量原油压缩系数实验系统，由示波器、信号发生器、悬臂式搅拌器、程控循环水浴、温度测量传感器、搅拌罐和控温水槽组成的控温系统组成。
搅拌罐放置在控温水槽中，搅拌罐内放置待测油样。搅拌罐顶部设计有上盖，防止搅拌过程中原油飞溅并减小原油的挥发；上盖中间留有比搅拌器的搅拌杆略大的圆孔，搅拌时搅拌杆穿过圆孔。
搅拌罐罐壁处嵌有2对超声波探头，将其连接信号发生器和示波器。程控循环水浴、控温水槽、搅拌罐组合形成水循环控温系统，控制搅拌罐内测试原油的温度；减小水槽体积以加速水循环，达到更好地控温效果。程控循环水浴的控温精度在0.1℃以内。温度传感器焊接在搅拌桨上，装置内测试原油的温度数值可由温度传感器读出。水循环控温系统和温度传感器联合可实现原油温度的精确控制，通过程控水浴可控制原油的降温速率和升温速率。
利用超声波探头、信号发生器和示波器的组合进行超声波速的测量。在搅拌罐罐壁同一高度处安装有4个超声波探头；4个探头均匀分布，可以测量不同方向的原油超声波速，减少原油内部杂质对超声波速测量的影响，增加准确度。探头选用带有螺纹的悬进式探头，使超声波探头与原油直接接触，防止金属筒壁的影响，使原油中超声波速测量更加精确。
采用悬臂式搅拌器对原油进行搅拌，搅拌器选用自行设计的搅拌桨(如图1所示)。新设计搅拌桨为锚式样式，搅拌桨搅拌时会产生切向流动，在桨叶边缘形成高剪切率，使容器壁附近的胶凝原油能够受到较好地剪切，使搅拌罐内的搅拌更加均匀；搅拌桨轴心处留空，不设置拌桨杆(叶)，可防止搅拌桨杆(叶)对超声波速测量产生影响。搅拌桨叶内部及外部拐角处均采用小圆弧过渡设计，以减弱搅拌时搅拌桨叶周围的流场畸变。
测试时，信号发生器发射脉冲信号，超声波探头将脉冲信号转化为超声波发射至原油中，传递到装置另一端的超声波探头，探头将超声波信号转换为电信号并传送到信号发生器。信号发生器连接示波器，准确地记录两次电信号的时间t1、t2(精度可达10-9s)。根据超声波在原油中传递时间Δt和两个探头间的距离ΔL，便可计算超声波波速v＝ΔL/Δt。利用蒸馏水对1对超声波探头之间的距离ΔL进行标定。标定时测量测试温度范围内超声波在蒸馏水中的传播时间，依据相应温度下蒸馏水声速v水，声速v水与传播时间之间的乘积便是超声波探头之间的距离ΔL。
压缩系数测量物理原理如下：当介质受压，其体积缩小，密度增大，除去外力后体积能恢复原状。压缩系数α是体积模量K的倒数，其定义为单位压力变化时引起的介质单位体积的变化量，计算公式如下：
Figure BDA0001365300200000071
同时，由波动理论可知机械波纵波在介质中传播速度的计算公式为：
Figure BDA0001365300200000081
式中ρ为介质的密度。因此，压缩系数α可由如下公式计算：
Figure BDA0001365300200000082
通过测量测试介质的超声波速ν和密度ρ，由公式
Figure BDA0001365300200000083
即可计算得到介质的压缩系数α。超声波在原油中以纵波传播。本发明基于该方法，设计出胶凝原油的超声波速测试系统，密度通过密度计同步测出。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图2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)

1.一种基于超声波测量原油压缩系数实验系统，其特征包括搅拌装置、控温装置和信号采集装置；其中，所述搅拌装置包括承载原油的壳体，所述壳体内设置有搅拌部件；所述控温装置设置于壳体外侧，以控制壳体内原油温度；
所述壳体的壳壁不同位置处设置有多对超声波传感器，超声波传感器与信号采集装置连接，通过调节控温装置的温度和搅拌装置的搅拌速度，利用超声波为媒介测量原油的超声波速，密度通过密度计同步测出，计算得到原油在不同温度、不同剪切状态下的压缩系数；
所述搅拌部件包括搅拌桨叶，所述搅拌桨叶为锚式搅拌桨，搅拌时产生切向流动，在桨叶边缘形成一定剪切率，使容器壁附近的胶凝原油能够受到较好地剪切，也使搅拌罐内的搅拌更加均匀；搅拌桨轴心处留空，不设置拌桨杆；搅拌桨内部及外部拐角处均采用圆弧过渡设计，以减弱搅拌时搅拌桨叶周围的流场畸变。
2.如权利要求1所述的一种基于超声波测量原油压缩系数实验系统，其特征是：所述控温装置包括控温水浴和控温水槽，所述壳体设置于控温水槽内，控温水浴与控温水槽形成水循环，以控制壳体内原油温度。
3.如权利要求1所述的一种基于超声波测量原油压缩系数实验系统，其特征是：所述搅拌部件包括电机、搅拌轴和搅拌桨叶，所述电机驱动搅拌桨叶围绕搅拌轴运动。
4.如权利要求3所述的一种基于超声波测量原油压缩系数实验系统，其特征是：所述搅拌桨叶上设置有温度传感器。
5.如权利要求1所述的一种基于超声波测量原油压缩系数实验系统，其特征是：所述壳体的壳壁在同一高度处安装有多对超声波传感器，且超声波传感器沿壳壁圆周均匀分布。
6.基于如权利要求1-5中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：通过调节控温装置的温度，使原油处于不同的温度；控制搅拌装置的搅拌速度，赋予原油不同剪切状态；利用超声波为媒介测量原油的超声波速v，利用密度计同步测出原油密度ρ，计算得到原油在不同温度、不同剪切状态下的压缩系数；
所述搅拌装置包括搅拌桨叶，所述搅拌桨叶为锚式搅拌桨，搅拌时产生切向流动，在桨叶边缘形成一定剪切率，使容器壁附近的胶凝原油能够受到较好地剪切，也使搅拌罐内的搅拌更加均匀；搅拌桨轴心处留空，不设置拌桨杆；搅拌桨内部及外部拐角处均采用圆弧过渡设计，以减弱搅拌时搅拌桨叶周围的流场畸变。
7.如权利要求6所述的工作方法，其特征是：压缩系数α的计算方法为：
Figure FDA0002475159330000021
8.如权利要求6所述的工作方法，其特征是：信号发生器发射脉冲信号，超声波探头将脉冲信号转化为超声波发射至原油中，传递到装置另一端的超声波探头；探头将超声波信号转换为电信号并传送到信号发生器，信号发生器连接示波器，准确地记录两次电信号的时间t1、t2；根据超声波在原油中传递时间Δt和两个探头间的距离ΔL，计算超声波速度v＝ΔL/Δt。
9.如权利要求8所述的工作方法，其特征是：利用蒸馏水标定一对探头之间的距离ΔL，标定时测量测试温度范围内超声波在蒸馏水中的传播时间，依据相应温度下蒸馏水声速v水，声速v水与传播时间之间的乘积便是超声波探头之间的距离ΔL。
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