CN110608868B - 油水混输海管停运状态变化与再启动应力测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油水混输海管停运状态变化与再启动应力测定装置及方法，该装置包括：实验管路单元，用于对管道油水混输停运与再启动过程进行模拟，其中，所述实验管路单元采用L型组合管路；旋转操作单元，用于对所述L型组合管路进行旋转使管段内油水均匀混合；温度控制单元，用于控制所述L型组合管路中油水混合温度，模拟真实使用环境，研究不同温度工况下油水混输停运初始流型变化规律和再启动应力测试。本发明能够快速、方便地测量不同含水率、不同温度下油水混输在组合管内的停运再启动特性。

Description

油水混输海管停运状态变化与再启动应力测定装置及方法

技术领域

本发明是关于一种油水混输海管停运状态变化与再启动应力测定装置及方法，涉及原油管道停输再启动领域。

背景技术

针对海上无人平台，原油管线置换、停输再启动是管线设计与自动化实施的难点，探索油水混输海管停运状态变化、启动应力测定以及精准预测停输管线启动压力是关键。海上原油开采面临高含蜡原油、稠油及超特稠油等非常规原油资源，开发范围也从陆地向近海、深水扩展。非常规原油含蜡、胶质、沥青质多，具有黏度高、流动性差等特点，黏性随停输温降急剧增加，使启动压力极大；而且，原油在采输过程总伴随着油田采出水，易形成乳状液，由于反相点、密度差等的存在，使油水混输管线停输流型变化及再启动行为复杂；此外，由于海管、弯管及立管等组成了复杂的管输系统，故油水混输复杂管线的停输/停产等给流动保障带来极大挑战。

综上，研究复杂组合管路系统中油水混输停运状态变化及再启动过程，测量停运初始流型变化及再启动壁面应力，对海上平台原油管线停输再启动具有重要指导意义。但是目前还没有能够对原油水混输停运状态变化及再启动壁面应力测定的实验装置，故复杂管路系统中油水混输停运再启动十分困难。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供能够快速、方便地测量不同含水率、不同温度下油水混输在组合管内的停运再启动特性的油水混输海管停运状态变化与再启动应力测定装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种油水混输海管停运状态变化与再启动应力测定装置，该装置包括：

实验管路单元，用于对管道油水混输停运与再启动过程进行模拟，其中，所述实验管路单元采用L型组合管路；

旋转操作单元，用于对所述L型组合管路进行旋转使管段内油水均匀混合；

温度控制单元，用于控制所述L型组合管路中油水混合温度，模拟真实使用环境，研究不同温度工况下油水混输停运初始流型变化规律和再启动应力测试。

进一步地，所述L型组合管路包括施压管段与测试管段，所述施压管段与测试管段通过水下电磁阀可拆卸连接，所述L型组合管路的施压管段与测试管段的顶部开口端均设有端帽，其中，所述水下电磁阀通过电源线连接外部电源。

进一步地，所述旋转操作单元包括管路支架、旋转支架、旋转轴承和旋转电机，所述管路支架设置在所述L型组合管路的水平段用于固定连接所述L型组合管路的水平段，所述L型组合管路的竖直段固定连接所述旋转支架，所述旋转支架中心固定在所述旋转轴承上，所述旋转电机固定连接所述旋转轴承，通过带动所述旋转轴承旋转，进而带动所述旋转支架与L型组合管路转动。

进一步地，所述温度控制单元包括透明水槽、温度探头、制冷制热系统和换热流道，所述透明水槽背部通过所述旋转轴承与连接所述旋转操作单元，所述温度探头设置在所述透明水槽内，且所述温度探头连接所述制冷制热系统；所述换热流道设置在所述透明水槽底部，所述换热流道两端相对设置有换热介质入口和换热介质出口，所述换热介质入口和换热介质出口通过换热介质流通软管连接设置在所述透明水槽外部的制冷制热系统，换热介质经所述换热介质入口进入所述换热流道，所述换热流道中换热介质通过所述换热介质出口流出，经所述换热介质流通软管流至外部所述制冷制热系统，实现换热介质的循环，进而对所述透明水槽内水浴温度进行调节。

进一步地，所述透明水槽目的在于采用高速摄像机观测所述L型组合管路内油水混输停运初始流型变化情况，所述透明水槽底部与背面采用为不锈钢板，正面与两侧均采用透明玻璃，所述换热流道各面均采用不锈钢板，其中，所述透明水槽的底部即为所述换热流道上壁。

进一步地，所述L型组合管路采用带有刻度的透明管材。

第二方面，本发明还提供基于所述油水混输海管停运状态变化与再启动应力测定装置的测定方法，具体过程为：

S1、油样配制与管路停运前转动

根据实验方案确定油水样的油水混合比例与体积，通过制冷制热系统预先设置实验所需温度，油样注入管路前水下电磁阀一直处于关闭状态，将配制好的油水样注射到测试管段内，并将施压管段与测试管段开口端盖好端帽；然后通过旋转电机，将L型组合管路随旋转支架往复转动，使测试管段中油水混合均匀；

S2、停运初始流型观测

当测试管段中油水混合均匀后，保持管路初始位置状态，停止转动，随即通过高速摄像机检测油水样在L型组合管路中停运初始流型变化规律；

S3、再启动应力测试

当测试管段中油水混合完全静态后，打开端帽，根据测试管段中油样液面所在刻度h_o，通过静压平衡关系：ρ_ogh_o＝ρ_wgh_w，计算所需维持测试管段中油流平衡的静压水柱h_w；随后注入水样到施压管段内，使水样在施压管段中液面达到h_w，使施压管段与测试管段保持静压平衡，其中，ρ_o、ρ_w分别为油和水的密度；h_o、h_w分别为油柱和水柱的高度；g为当地重力加速度；

S4、将水下电磁阀打开，同样向施压管段111中注入水样，同时观测测试管段中液面情况，将液面开始变化的时刻作为管路启动状态，记录施压管段的液面刻度线，确定第二次注入水量的体积ΔV或水柱高度Δh，根据以下公式计算得到油水混合管段内再启动壁面应力：

其中，τ_w为再启动壁面应力，Δh第二次注入的水柱高，D为L型组合管路内径，L_o为充满油品的管路长度。

进一步地，步骤S1之前还包括检查实验装置是否处于正常运作状态的步骤，具体包括检查制冷制热系统是否显示正常、换热流道是否运转正常、旋转轴承及旋转电机是否正常运转、透明水槽水位是否正常、水下电磁阀是否可正常开关。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下特点：本发明利用高速摄像机观测L型组合管路的测试管段中停运初始流型变化，利用L型组合管路中的施压管段高程压差计算再启动壁面应力。本发能够快速、方便地测量不同含水率、不同温度下油水混输在组合管内的停运再启动特性。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的油水混输海管停运状态变化与再启动应力测定装置原理框图；

图2为本发明实施例1提供的油水混输海管停运状态变化与再启动应力测定装置结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的L型组合管路结构三视图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1、图2所示，本实施例提供的油水混输海管停运状态变化与再启动应力测定装置，包括实验管路单元1、旋转操作单元2和温度控制单元3。

实验管路单元1用于对管道油水混输停运与再启动过程进行模拟。实验管路单元1采用L型组合管路11，L型组合管路11包括施压管段111与测试管段112，施压管段111与测试管段112通过水下电磁阀113可拆卸连接，L型组合管路11的施压管段111与测试管段112的顶部开口端均设有端帽114，其中，水下电磁阀113通过电磁阀电源线115连接外部电源116。

旋转操作单元2用于对L型组合管路11进行旋转。旋转操作单元2包括管路支架21、旋转支架22、旋转轴承23和旋转电机24。管路支架21设置在L型组合管路11的水平段用于通过管路卡扣25固定连接L型组合管路11的水平段，L型组合管路11的竖直段通过管路卡扣25固定连接旋转支架22，旋转支架22的中心固定在旋转轴承23上，旋转电机24固定连接旋转轴承23，通过带动旋转轴承23旋转，进而带动旋转支架22与L型组合管路11转动。旋转操作单元2可调节L型组合管路11绕旋转轴进行90度范围内往复转动，并设置有不同的旋转速率，90度往复旋转目的在于使测试管段内油水均匀混合。

温度控制单元3用于控制测试管段112中油水混合温度，使其保持在实验所需的温度条件之下，通过温度控制单元可研究不同温度工况下油水混输停运初始流型变化规律和再启动应力的测试。温度控制单元3包括透明水槽31、温度探头32、制冷制热系统33和换热流道34。透明水槽31采用无盖六面体用于放置水浴，透明水槽31背面内壁通过旋转轴承23与旋转操作单元2固定，旋转操作单元2可通过管路卡扣25固定连接L型组合管路11，温度探头32设置在透明水槽31内，且温度探头32连接制冷制热系统33，制冷制热系统33通过温度探头32获取透明水槽内温度变化，调节控制水浴温度，制冷制热系统33可自动调节温度，可模拟海底环境自然温度。换热流道34设置在透明水槽31底部，换热流道34两端相对设置有换热介质入口341和换热介质出口342，换热介质入口341和换热介质出口342通过换热介质流通软管343连接设置在透明水槽31外部的制冷制热系统33，换热介质来自外部制冷制热系统33，经换热介质入口341进入换热流道34，换热流道34中换热介质通过换热介质出口342流出，经换热介质流通软管343流至外部制冷制热系统33，实现换热介质的循环，进而对透明水槽31温度进行调节。

在一个优选的实施例中，本发明实施提供的实验管路单元1为带有刻度的透明管材，目的在于直观测量再启动时所需的水柱高度。

在一个优选的实施例中，透明水槽31目的在于可以采用高速摄像机观测L型组合管路11内油水混输停运初始流型变化情况，透明水槽31的底面与背面采用为不锈钢板，正面与两侧均采用为透明玻璃，换热流道34各面均采用不锈钢板，具体地，透明水槽31的底部即为换热流道34的上壁。

在一个优选的实施例中，分段管路的长度可以任意组合，分段管路具有多个不同管径，所述不同管径的各管段与电磁阀通过端口变径方式连接。

实施例2：

本实施例是基于实施例1的装置进行组合管路油水混输停运状态及再启动过程的模拟，分为停运初始流型观测、静置和再启动应力测试等步骤，具体过程为：

S1、实验前检查

检查实验装置是否处于正常运作状态，包括制冷制热系统33是否显示正常、换热流道34是否运转正常、旋转轴承23及旋转电机24是否正常运转、透明水槽31水位是否正常、水下电磁阀113是否可正常开关。

S2、油样配制与管路停运前转动

根据已定实验方案确定一种油水的混合比例与体积，通过制冷制热系统33预先设置实验所需温度，油样注入管路前电磁阀113一直处于断电(即关闭)状态，将一根细软管深入到测试管段112内底部位置处，通过注射器自下而上的缓慢推送注入配制好的油水样，尽量排除测试管段112内的空气，并将施压管段111与测试管段112端口处盖好端帽114；而后通过旋转电机24，将L型组合管路11随旋转支架22在90度范围内往复转动，使测试管段112中油水混合均匀。

S3、停运初始流型观测

当测试管段112中油水混合均匀后，保持管路初始位置状态，停止转动，随即通过高速摄像机检测油水在L型管路中停运初始流型变化规律。

S4、再启动应力测试

当测试管段112中油水混合完全静态后，打开端帽114，根据测试管段112中油样液面所在刻度h_o，通过静压平衡关系：ρ_ogh_o＝ρ_wgh_w，其中，ρ_o、ρ_w分别为油和水的密度，其单位为kg/m³；h_o、h_w分别为油柱和水柱的高度，其单位为m；g为当地重力加速度，其单位为m/s²。计算所需维持测试管段112中油流平衡的静压水柱h_w；随后同样通过一根细软管深入到施压管段111内底部位置处，利用注射器自下而上的缓慢推送注入水样，尽量排除管路里的空气，使水样在施压管段111中液面达到h_w，使施压管段111与测试管段112保持静压平衡。

S5、将电源插头13通电，使水下电磁阀113处于打开状态，同样自下而上地往施压管段111中缓慢注入水样，尽量消除注入压力的影响，并同时观测测试管段112中液面情况，将液面开始变化的时刻作为管路启动状态，记录施压管段111的液面刻度线，确定第二次注入水量的体积ΔV或水柱高度Δh。

根据以下公式计算得到油水混合管段内再启动壁面应力。

其中，τ_w为再启动壁面应力，其单位为Pa；Δh第二次注入的水柱高，其单位为m；D为组合管路内径，其单位m；L_o为充满油品的管路长度，其单位为m。

综上，采用上述方法能够快速、方便地测量不同含水率、不同温度下油水混输在组合管内的停运初始流型变化及再启动壁面应力。

最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种油水混输海管停运状态变化与再启动应力测定装置，其特征在于，该装置包括：

实验管路单元，用于对管道油水混输停运与再启动过程进行模拟，其中，所述实验管路单元采用L型组合管路；

旋转操作单元，用于对所述L型组合管路进行旋转使管段内油水均匀混合，所述旋转操作单元包括管路支架、旋转支架、旋转轴承和旋转电机，所述管路支架设置在所述L型组合管路的水平段用于固定连接所述L型组合管路的水平段，所述L型组合管路的竖直段固定连接所述旋转支架，所述旋转支架中心固定在所述旋转轴承上，所述旋转电机固定连接所述旋转轴承，通过带动所述旋转轴承旋转，进而带动所述旋转支架与L型组合管路转动；

温度控制单元，用于控制所述L型组合管路中油水混合温度，模拟真实使用环境，研究不同温度工况下油水混输停运初始流型变化规律和再启动应力测试。

2.根据权利要求1所述的油水混输海管停运状态变化与再启动应力测定装置，其特征在于，所述L型组合管路包括施压管段与测试管段，所述施压管段与测试管段通过水下电磁阀可拆卸连接，所述L型组合管路的施压管段与测试管段的顶部开口端均设有端帽，其中，所述水下电磁阀通过电源线连接外部电源。

3.根据权利要求1所述的油水混输海管停运状态变化与再启动应力测定装置，其特征在于，所述温度控制单元包括透明水槽、温度探头、制冷制热系统和换热流道，所述透明水槽背部通过所述旋转轴承与连接所述旋转操作单元，所述温度探头设置在所述透明水槽内，且所述温度探头连接所述制冷制热系统；所述换热流道设置在所述透明水槽底部，所述换热流道两端相对设置有换热介质入口和换热介质出口，所述换热介质入口和换热介质出口通过换热介质流通软管连接设置在所述透明水槽外部的制冷制热系统，换热介质经所述换热介质入口进入所述换热流道，所述换热流道中换热介质通过所述换热介质出口流出，经所述换热介质流通软管流至外部所述制冷制热系统，实现换热介质的循环，进而对所述透明水槽内水浴温度进行调节。

4.根据权利要求3所述的油水混输海管停运状态变化与再启动应力测定装置，其特征在于，所述透明水槽目的在于采用高速摄像机观测所述L型组合管路内油水混输停运初始流型变化情况，所述透明水槽底部与背面采用为不锈钢板，正面与两侧均采用透明玻璃，所述换热流道各面均采用不锈钢板，其中，所述透明水槽的底部即为所述换热流道上壁。

5.根据权利要求1或2所述的油水混输海管停运状态变化与再启动应力测定装置，其特征在于，所述L型组合管路采用带有刻度的透明管材。

6.基于权利要求1～5任一项所述油水混输海管停运状态变化与再启动应力测定装置的测定方法，其特征在于具体过程为：

S1、油样配制与管路停运前转动

根据实验方案确定油水样的油水混合比例与体积，通过制冷制热系统预先设置实验所需温度，油样注入管路前水下电磁阀一直处于关闭状态，将配制好的油水样注射到测试管段内，并将施压管段与测试管段开口端盖好端帽；然后通过旋转电机，将L型组合管路随旋转支架往复转动，使测试管段中油水混合均匀；

S2、停运初始流型观测

当测试管段中油水混合均匀后，保持管路初始位置状态，停止转动，随即通过高速摄像机检测油水样在L型组合管路中停运初始流型变化规律；

S3、再启动应力测试

当测试管段中油水混合完全静态后，打开端帽，根据测试管段中油样液面所在刻度h_o，通过静压平衡关系：ρ_ogh_o＝ρ_wgh_w，计算所需维持测试管段中油流平衡的静压水柱h_w；随后注入水样到施压管段内，使水样在施压管段中液面达到h_w，使施压管段与测试管段保持静压平衡，其中，ρ_o、ρ_w分别为油和水的密度；h_o、h_w分别为油柱和水柱的高度；g为当地重力加速度；

S4、将水下电磁阀打开，同样向施压管段111中注入水样，同时观测测试管段中液面情况，将液面开始变化的时刻作为管路启动状态，记录施压管段的液面刻度线，确定第二次注入水量的体积ΔV或水柱高度Δh，根据以下公式计算得到油水混合管段内再启动壁面应力：

其中，τ_w为再启动壁面应力，Δh第二次注入的水柱高，D为L型组合管路内径，L_o为充满油品的管路长度。

7.基于权利要求6所述的测定方法，其特征在于，步骤S1之前还包括检查实验装置是否处于正常运作状态的步骤，具体包括检查制冷制热系统是否显示正常、换热流道是否运转正常、旋转轴承及旋转电机是否正常运转、透明水槽水位是否正常、水下电磁阀是否可正常开关。

Images