CN107543862B - 一种带压胶凝原油压缩系数测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带压胶凝原油压缩系数的测试装置及其测试方法，包括原油处理筒、压力供给装置、超声波传感器和信号采集装置。原油处理筒为可密封结构，内部设置有搅拌转子提供搅拌剪切；原油处理筒底部与进出原油管连通，原油处理筒和进出原油管放置在控温装置的控温水槽内，原油处理筒上端连通原油补给装置，且进出原油管主体与原油补给筒并排设置，其外侧设有水浴保温软套。压力供给装置与原油补给装置上端连通，向原油处理筒内原油施加设定的压力。超声波传感器设置于原油处理筒的内壁上，与信号采集装置连接。通过控制施加的压力、原油温度、搅拌转子的转速，实现测量原油在各个压力、温度和剪切状态下的超声波速，以计算得到各状态下原油的压缩系数。

Description

一种带压胶凝原油压缩系数测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测量带压胶凝原油压缩系数的测试装置及其测试方法。

背景技术

我国所产原油80％以上为含蜡量较高的含蜡原油。压缩系数是原油的基本物性之一。油田所产原油主要通过管道外输，且含蜡原油由于凝点较高，常温下流动性差，一般需加热输送。加热输送的原油在加热站被加热至一定温度后出站，在沿管道流动过程中油品温度不断降低；故前后两个加热站之间存在轴向温降，且轴向温降曲线为一指数曲线。当油温低于析蜡点时，蜡不断结晶析出，形成蜡晶小颗粒悬浮于液态原油中；在胶凝温度附近，析出的蜡晶颗粒会互相连结并形成海绵状的三维空间网络结构，将液态油被束缚于其中，此时原油从溶胶状态转变为凝胶状态，表现出黏弹性、屈服应力和触变性等非牛顿流体流变行为。在实际生产中，原油在泵站内被加压至一定压力后出站，管内压力沿管长不断下降，油流沿管道流动过程中各点的剩余压力不断变化；且管道停输后，管道沿线因地形起伏(高差)引起静液柱压力(简称静水压力)。此外，原油在管道内流动过程中，存在管流剪切。因此，测量不同压力状态下、不同温度、不同剪切状态下原油的压缩系数具有十分重要的现实意义。

目前，原油压缩系数主要通过压缩实验测定。对于具有粘弹性和屈服应力的胶凝原油，压缩实验法由于胶凝原油粘弹性和屈服应力的存在导致原油内部之间的压力分布不均匀，且原油与容器壁之间存在阻力，导致结果偏差较大。现有压缩系数测试装置及方法无法精确测量胶凝原油在不同压力、不同剪切状态下的压缩系数。

发明内容

本发明为了解决上述问题，本发明能够实现测量胶凝原油在不同压力、不同温度、不同剪切状态下的压缩系数，且测试较为准确。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种带压胶凝原油压缩系数的测量装置，包括原油处理筒、原油补给筒、控温装置、压力供给装置、超声波传感器和信号采集装置，其中：

所述原油处理筒为可密封结构，内部设置有搅拌转子，为其内部原油提供搅拌剪切；所述原油处理筒的上端侧方设置有排气孔，下端与进出原油管连通，原油处理筒和进出原油管放置在控温装置的控温水槽内，以控制原油处理筒内的温度；

所述原油处理筒上端设置有原油补给筒，且进出原油管主体与原油补给筒并排设置，所述原油补给筒和进出原油管外侧设有水浴保温软套，以维持其内原油温度；所述压力供给装置与原油处理筒上端连通，向其原油处理筒内施加设定的压力；

所述超声波传感器设置于原油处理筒的内壁上，与信号采集装置连接。通过控制施加的压力、原油温度、搅拌转子的转速，实现测量胶凝原油在各个压力、温度和剪切状态下的超声波速，以计算得到各状态下原油压缩系数。

进一步的，所述控温装置为控温水浴与控温水槽形成水循环控温系统，所述原油处理筒放置于控温水槽内，以控制原油温度。

进一步的，所述原油补给筒与原油处理筒直径比值范围为1:4-1:6。

进一步的，所述原油补给筒内设置有液位器，以检测其补给原油的体积。

进一步的，所述原油处理筒内设置有温度传感器和压力传感器。

进一步的，所述搅拌转装置为超强磁力的大功率磁力搅拌器，搅拌器的搅拌子下部分采用两根圆管十字型交叉的十字型设计，且两根圆管内部中空，以减轻其重量。在其中一根圆管上设置4个搅拌叶，其中2个搅拌叶布置在圆管的两端，另2个布置在圆管端点至中心2/3位置处；每个搅拌叶的厚度约为1.5mm，宽度约为7.5mm。设置的4个搅拌叶在搅拌时会产生切向流动，在搅拌叶边缘形成高剪切，使容器壁附近的胶凝原油也受到较好地剪切，使搅拌罐内原油搅拌更加均匀；且在圆管十字交叉处上方留空，不会对测试时超声波传播产生干扰。

进一步的，原油处理筒上端为弧形圆筒上盖结构，其上侧方设置有排气口，便于导入原油时，气体排出更加充分，不留气体死角，避免气体对测试结果的影响。

进一步的，所述原油补给筒上部分直径放大，防止压力供给装置补充气体时直接冲击作用在原油上，并防止原油溢出。

进一步的，所述原油补给筒与原油处理筒的连接处，原油处理筒与排气口的连接处，进出原油管与原油处理筒的连接处均设置有阀门。

进一步的，所述信号采集装置包括信号发生器和示波器，示波器连接信号发生器，所述信号发生器连接超声波传感器。

基于上述装置的工作方法，(1)加热油样使油品温度高于析蜡点5℃以上并维持一定时间，使油中的蜡完全溶解，此时原油为牛顿流体，同时并预热搅拌罐和原油补给筒至相同的温度，然后将油样装入测试装置内；(2)调节压力供给装置的供给压力，使原油处于不同的带压状态；(3)通过控温水浴与控温水槽组成的水循环控温系统和温度传感器联合，先将油样以一定的降温速率降温至测试温度，再在测试温度上恒温一定时间，使原油处于不同的温度或结构状态下；(4)控制搅拌转子的搅拌转速，赋予原油不同的剪切状态；(5)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压力、不同温度和不同剪切状态下的压缩系数。

需要特别说明的是，测试步骤不可以如下操作：先将测试油样温度降温至测试温度，再施加一定的压力。这是因为，原油在胶凝温度附近及其以下，蜡晶析出并形成三维空间网络结构，具有粘弹性和屈服应力，此种情况下再施加压力时会导致胶凝原油内部之间压力分布不均匀，引起测量偏差较大。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明通过装置上部分原油补给细筒的设计，使原油轻组分的挥发面积大大减小，保证了原油的性质稳定；

(2)原油补给筒上部分直径放大，防止压力供给装置补充气体时直接冲击作用在原油上，并且防止原油溢出；

(3)考虑到减小控温水浴套的体积，进出油管采用金属软管，使进油处无死角，便于排气以及清洗时无废油残留；

(4)原油处理筒的进口设计在搅拌罐底部，实现搅拌罐导入原油时原油缓缓流入搅拌罐中，无飞溅，防止气体溶入原油中；

(5)原油处理筒上部分采用弧形圆筒上盖的设计，便于从原油金属保温软管导入原油时，气体的排出更加充分，不存在气体死角，实现了原油处理筒内气体完全排净，避免气体对实验结果的影响；

(6)原油处理筒的圆弧上盖与圆柱形圆筒通过法兰连接、浮杆系统与其顶部的不锈钢板采用法兰连接，便于更换原油后的清洗工作，并通过螺栓和密封垫片保持密封性；

(7)所述原油补给筒内设置有液位器，以检测补给原油的体积；

(8)选用超强磁力的大功率磁力搅拌器对密封搅拌罐内原油进行搅拌，搅拌器的搅拌子自行设计，保证了对胶凝原油地搅拌剪切均匀。

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是本发明装置系统组成图；

图2是本发明的装置结构图；

图3是本发明的原油处理筒装置结构图；

图4(a)-图4(b)是本发明的磁力搅拌子示视图；

其中：1-原油液位浮子，2-原油补给细筒，3-进出原油金属保温软管，4-温度传感器，5-循环水出口，6-超声波探头，7-压力入口，8-保温套，9-原油排气口，10-测试原油处理筒，11-控温水槽，12-循环水入口，a、b、c-球阀。

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，实际生产中原油在输油泵站内被加压至一定压力后出站，管内压力沿管长不断下降，管道沿线各点的剩余压力不断变化；且原油在管道内流动，还存在管流剪切。现有技术中存在无法测量胶凝原油在不同压力、不同剪切状态下的压缩系数的问题。为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种能够实现测试原油在不同压力、不同温度、不同剪切状态下压缩系数的实验装置。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，本发明采用超声波法测量原油的压缩系数。根据流体力学理论和波动理论，声波在介质中传播速度的计算公式为：

式中v为介质超声波速，ρ为介质的密度。因此，压缩系数α可由如下公式计算：

将原油放置于密闭可控制压力的容器之中，测量其超声波速及对应密度，由公式(1)计算带压状态下原油的压缩系数。本发明基于该方法，设计出在带压状态下可实现同步测量原油超声波速和密度的装置系统。

如图1所示，该系统由搅拌罐、控温水槽、恒温水浴、控温水浴、磁力搅拌器、原油补给细筒、压力供给装置(氮气罐带减压阀和高精度压力表)、温度传感器、示波器、信号发生器等组成。其装置示意图如图2所示。

搅拌罐放置在控温水槽中，搅拌罐内放置待测油样；罐壁处嵌有两对超声波探头，将其连接信号发生器和示波器。通过控温水浴和温度传感器联合实现对搅拌罐内原油温度的精确控制，并可控制原油的降温速率和升温速率。恒温水浴与保温套内铜管无缝形成水循环，以维持原油补给细筒内原油温度。当搅拌罐内原油温度下降，其体积收缩，原油补给细筒内的原油会持续补充到搅拌罐内，浮子下降。通过原油补给细筒内浮杆、浮子的位移，并结合搅拌罐总容积可计算出测试条件下原油的密度。

通过压力供给装置控制原油处理圆筒内测试原油的压力，装置内测试原油的温度值可由温度传感器读出。通过磁力搅拌器控制搅拌罐内的搅拌子的转速，实现对测试原油搅拌强度的控制。

直径较大的原油处理筒和直径较小的原油补给细筒，其内径比在5:1左右，实现精确控制原油温度。其设计综合考虑了以下因素：(1)原油补给细筒上部分直径放大，防止压力供给装置补充气体时直接冲击作用在原油上，并防止原油溢出；(2)浮杆系统包括塑料浮筒、硬钢丝浮杆和塑料浮子，可在液态原油上漂浮，浮筒直径小于原油补给细筒1cm以上；(3)浮子外壳为透明玻璃，通过橡胶垫片保持密封性；(4)保温套利用铜管无缝缠绕，外部缠有保温材料，保温效果良好。

原油处理圆筒装置的设计，综合考虑到了以下因素：(1)上部分原油补给细筒的设计使原油轻组分的挥发面积大大减小，保证了原油的性质稳定；(2)测试原油处理筒上部分采用弧形圆筒上盖的设计，便于从金属保温软管导入原油时，气体排出更加充分，不存在气体死角，实现了原油处理筒内气体的完全排净，避免气体对实验结果的影响；(3)搅拌罐原油的进口设计在搅拌罐底部，实现搅拌罐导入原油时原油无飞溅，缓缓流入搅拌罐中，防止气体溶入原油中；(4)原油处理筒的圆弧上盖与圆柱形圆筒通过法兰连接、浮杆系统与其顶部的不锈钢板采用法兰连接，便于更换原油后的清洗工作，并通过螺栓和密封垫片保持密封性；(5)考虑到减小控温水浴套的体积，进油管采用金属软管，使进油处无死角，便于排气以及清洗时无废油的残留；(6)搅拌罐壁采用不锈钢制作，便于导热，使原油温度控制更精确。

采用磁力搅拌系统对密封带压搅拌罐内的原油进行搅拌。考虑到在温度较低时原油粘度会较大，选择超强磁力的大功率磁力搅拌器，且搅拌器的搅拌子自行设计(如图4(a)-图4(b))。新设计搅拌子分为上下两部分，下部分采用两根圆管十字型交叉的十字型设计，且两根圆管内部中空，以减轻其重量。在其中一根圆管上设置4个搅拌叶，其中2个搅拌叶布置在圆管的两端，另2个布置在圆管端点至中心2/3位置处；每个搅拌叶的厚度约为1.5mm，宽度约为7.5mm。设计的4个搅拌叶在搅拌时会产生切向流动，在搅拌叶边缘形成高剪切，使容器壁附近的胶凝原油也能够受到较好地剪切，使搅拌罐内原油搅拌更加均匀；且在圆管十字交叉处上方留空，不会对超声波传播产生干扰。

原油处理圆筒包括a、b、c三个阀门(结构示意图见图2)。测试时打开阀门a、b、c，在漏斗处倾倒原油，原油通过金属软管流入搅拌罐底部；一段时间后，等排气口有原油流出时，继续倾倒原油一段时间，当排气口排出原油无泡沫、为纯液体时，关闭阀门b，继续倾倒原油，当浮子上升到适当高度且稳定一段时间后，关闭阀门a。阀门c是为了实现无原油补给时进行原油密闭的测试。

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 (8)

1.一种带压胶凝原油压缩系数测试装置，其特征是：包括原油处理筒、原油补给筒、控温装置、压力供给装置、超声波传感器和信号采集装置，其中：

所述原油处理筒为可密封结构，内部设置有搅拌转子，为其内部原油提供搅拌剪切；下端与进出原油管连通，进出原油管采用金属保温软管，原油处理筒和进出原油管放置在控温装置的控温水槽内，以控制原油处理筒内的原油温度；

所述原油处理筒上端连接原油补给筒，且进出原油管主体与原油补给筒并排设置，所述原油补给筒和进出原油管外侧设有水浴保温软套，以维持其内原油温度；所述压力供给装置通过与原油补给筒的压力入口连通，向原油处理筒内原油施加设定的压力；

所述超声波传感器设置于原油处理筒的内壁上，与信号采集装置连接，通过控制施加的压力、原油温度和搅拌转子的转速，实现测量原油在各个压力、温度和剪切状态下的超声波速，以计算得到各状态下原油压缩系数；

所述原油处理筒采用弧形圆筒上盖的设计，其上侧方设置有排气口，从金属保温软管导入原油时，气体排出更加充分，不留气体死角，实现原油处理筒内气体的完全排净，避免气体对测试结果的影响；

所述原油处理筒的弧形圆筒上盖与圆柱形圆筒通过法兰连接、浮杆系统与原油补给筒的顶部的不锈钢板采用法兰连接，便于更换原油后的清洗工作，并均通过螺栓和密封垫片保持法兰连接处的密封性；所述原油补给筒与原油处理筒的连接处，原油处理筒与排气口的连接处，进出原油管与原油处理筒的连接处均设置有阀门。

2.如权利要求1所述的一种带压胶凝原油压缩系数测试装置，其特征是：原油处理筒原油的进口设计在原油处理筒底部，实现原油处理筒导入原油时原油无飞溅，缓缓流入原油处理筒中，防止气体溶入原油中。

3.如权利要求1所述的一种带压胶凝原油压缩系数测试装置，其特征是：所述原油补给筒与原油处理筒直径比值范围为1:4-1:6。

4.如权利要求1所述的一种带压胶凝原油压缩系数测试装置，其特征是，原油补给筒上部分直径放大，防止压力供给装置补充气体时直接冲击作用在原油上，并防止原油溢出。

5.如权利要求1所述的一种带压胶凝原油压缩系数测试装置，其特征是：所述原油补给筒内设置有液位器，以检测补给原油的体积。

6.如权利要求1所述的一种带压胶凝原油压缩系数测试装置，其特征是：采用磁力搅拌系统对原油处理筒中原油进行搅拌，搅拌转子下部分为两根圆管十字型交叉结构，且两根圆管内部中空，在其中一根圆管设置有4个搅拌叶，其中2个搅拌叶布置在圆管的两端，另2个布置在圆管端点至中心2/3位置处；设置的4个搅拌叶在搅拌时会产生切向流动，在搅拌叶边缘形成高剪切。

7.如权利要求1所述的一种带压胶凝原油压缩系数测试装置，其特征是：所述原油处理筒内设置有温度传感器和压力传感器。

8.基于如权利要求1-7中任一项所述的装置的工作方法，其特征是：(1)加热油样使油品温度高于析蜡点5℃以上并维持一定时间，使油中的蜡完全溶解，此时原油为牛顿流体，并同时预热原油处理筒和原油补给筒至相同的温度，然后油样装入测试装置内；(2)调节压力供给装置的供给压力，使原油处于不同的带压状态；(3)控温水浴与控温水槽连接，原油处理筒放置在控温水槽内，通过控温水浴与控温水槽组成的水循环控温系统和原油处理筒内的温度传感器联合，先将油样以一定的降温速率降温至测试温度，再在测试温度上恒温一定时间，使原油处于不同的温度或结构状态下；(4)控制搅拌转子的搅拌转速，赋予原油不同的剪切状态；(5)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压力、不同温度和不同剪切状态下的压缩系数。

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