CN115586106A - 一种实时监测超声作用过程中流体黏度变化的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及剪切波反演液体黏度和重油开采及运输领域，尤其涉及一种实时监测超声作用过程中流体黏度变化的方法和系统。该方法包括：采集延迟块‑空气界面的一次回波信号作为参考信号；向容器中缓慢注入重油样品，将其温度保持与空气中相同，采集此时的一次回波信号；利用超声作用重油，采集不同超声作用时间下的界面一次回波信号，同时利用水听器采集油样中的噪声信号；根据不同的反射回波信号与参考信号对比计算得到声速、阻抗、剪切模量等参数，再利用理论模型反演得到黏度值；对比油样在不同条件下的黏度变化情况，并结合空化噪声信号，揭示重油黏度变化的机理。采用本方法可以实现不同实验条件下液体黏度的实时测量。

Description

一种实时监测超声作用过程中流体黏度变化的方法和系统
技术领域
本发明涉及声学测量、功率超声应用及重油开采及运输领域，尤其涉及一种实时监测超声作用过程中流体黏度变化的方法和系统，更具体地，涉及一种基于剪切波法的实时监测超声作用过程中重油黏度变化情况的系统和方法。
背景技术
功率超声重油开采技术具有环保、高效、适用范围广等优点，但是超声导致重油黏度变化的机理尚未有定论。国内外学者大多针对超声作用前后油样的黏度变化开展研究，而超声作用过程中油样的黏度也并非一成不变，因此实时地表征超声作用时油样的黏度变化对于机理的研究也是至关重要的。传统的黏度测量方法如旋转法、毛细管法等均很难进行原位测量，无法达到实时在线测量的效果。
发明内容
为解决上述问题，本发明设计一种利用剪切波实时监测超声作用过程中重油黏度变化的系统和方法。
本发明提出了一种实时监测超声作用过程中流体黏度变化的方法，该方法包括：
步骤S1.将延迟块置于容器中；向容器中注入声阻抗远低于延迟块的介质，然后向延迟块发射脉冲信号，并采集延迟块和介质界面的一次回波信号作为参考信号；
步骤S2.向容器中注入待测流体，然后向延迟块发射脉冲信号，并采集延迟块和流体界面的一次回波信号；
步骤S3.向流体发射超声信号对流体进行超声作用，并实时采集超声作用过程中延迟块和流体界面的一次回波信号和流体中的空化噪声信号；
步骤S4.根据参考信号和步骤S2-S3中延迟块-流体界面的一次回波信号计算得到不同时间超声作用下流体的黏度值；
步骤S5.对比不同时间超声作用前后流体的黏度变化情况，并结合空化噪声信号，得到流体黏度变化的机理。
作为上述技术方案的改进之一，所述延迟块为固体；所述延迟块的材质为PEEK材料、PMMA材料或PTFE材料。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤S1中，声阻抗远低于延迟块的介质为空气、氮气、二氧化碳气体和水。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤S1和S2中发射的脉冲信号均为垂直入射的剪切波。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤S1-S3过程中，要求容器内温度保持一致。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤S4，具体包括：
步骤S4-1.利用参考信号和步骤S2中的一次回波信号得到超声作用前流体的初始黏度值；
步骤S4-2.利用参考信号和步骤S3中的一次回波信号得到不同时间超声作用下流体的黏度值。
本发明还提出了一种实时监测超声作用过程中流体黏度变化的系统，所述系统包括：容器、信号发生器、换能器、超声发生器、水听器、示波器和信号处理模块；
所述容器，用于放置延迟块，在注入介质或待测流体时，使延迟块与介质或流体直接接触；
所述信号发生器和换能器，用于向延迟块发射脉冲信号；
所述超声发生器，与容器相连，用于向流体发射超声信号对流体进行超声作用；
所述水听器，用于测量超声作用下流体中的空化噪声信号；
所述示波器，与信号发生器相连，用于接收延迟块-介质界面反射的参考信号、延迟块-流体界面的一次回波信号、超声作用下延迟块-流体界面的一次回波信号以及空化噪声信号；
所述信号处理模块，用于根据参考信号、延迟块-流体界面的一次回波信号、超声作用下延迟块-流体界面的一次回波信号，计算得到超声作用前后流体的黏度值；还用于对比不同时间超声作用前后流体的黏度变化情况，并结合空化噪声信号，得到流体黏度变化的机理。
作为上述技术方案的改进之一，所述系统还包括水域控温仪，用于控制容器内部的温度。
作为上述技术方案的改进之一，所述信号发生器采用自激自收模式，发射不同幅度和/或相位的脉冲信号。
本发明与现有技术相比优点在于：
1.本发明的超声剪切波法不仅可以实时在线测量重油的黏度，而且可实现非接触式测量，避免污染样品；非接触式测量是指本申请的测量的装置(比如实施例中是指发射剪切波的换能器)不需要与油样接触，如传统的黏度测量方法旋转法，需要转子与油样接触，才能进行测量。
2.本发明引入参考信号来计算反射系数r，可以避免换能器的相关参数以及不稳定性产生的影响；
3.本发明选择的延迟块声阻抗小、稳定性好，可降低测量误差；
4.本发明的应用背景有助于揭示超声导致重油黏度变化的机理；
5.本发明使用的空化噪声法属于一种新的在超声作用重油背景下使用的方法，可用于表征空化效应对重油黏度的影响。
附图说明
图1为基于剪切波法的实时监测超声作用过程中重油黏度变化情况的实验平台；
图2为本发明实施例测试数据图，其中，图2(a)为延迟块-重油界面的时域回波信号与时域参考信号对比图；图2(b)为延迟块-重油界面的频域回波信号与频域参考信号对比图；图2(c)为频域回波信号和频域参考信号的幅度做比值得到反射系数的幅度r；图2(d)为频域回波信号和频域参考信号的相位做差值得到反射系数的相位δ；图2(e)为通过反射系数计算得到剪切模量的实部和虚部；图2(f)为计算得到的黏度η(取中心频率附近的值)。
具体实施方式
本发明提出一种基于剪切波法的实时监测超声作用过程中重油黏度变化情况的系统和方法；本发明的方法包括以下步骤：
(1)参考信号的测量：当容器中是空气时，利用水域将容器内空气的温度保持在25℃(或其他温度)，向延迟块(如PEEK、PMMA、PTFE等声阻抗较小的固体材料，并不局限于列举的这些材料)中发射垂直入射的剪切波脉冲信号，采集延迟块-空气界面的一次回波信号作为参考信号1(参考信号的目的是抵消换能器的影响)。如利用导波、纵波等皆可实现实时测量的效果(但是要相应调整实验装置或实验装置参数，并建立新的理论模型)。
(2)原始油样信号的采集：向容器中缓慢注入重油样品，将重油温度保持与(1)中相同，采集此时的一次回波信号2(利用回波信号1和2即可得到超声作用前重油的初始黏度值)。
(3)超声作用过程中的油样信号变化：启动超声发生器，采用低且恒定功率(目的是避免油样温度过高)的超声作用重油，同时利用水域循环将容器内温度控制在25℃，采集不同超声作用时间下的界面一次回波信号3、4、5…，同时利用水听器采集油样中的噪声信号。空化噪声信号可以用于说明流体黏度变化是否是空化效应导致的，以及空化效应是如何影响液体黏度的。(1)此处的超声作用就是将声信号发射进入液体中，也即超声作用于液体；(2)此处的不同超声作用是指更改超声作用条件，超声作用条件是比较宽泛的，更改功率、频率、作用时间等都可以。
(4)黏度计算：根据不同的反射回波信号计算得到反射系数r、阻抗Z、声速c、剪切模量G等参数，再利用理论公式(1)反演得到黏度值η。
Figure BDA0003907330030000041
其中：Zs和ρl分别为延迟块的阻抗和密度；r和δ分别为两种信号的幅值比和相位差；ω为角频率；α为弛豫时间，α＝1/ωtanδ。
(5)黏度变化机理：对比超声作用前后重油的黏度变化情况，并结合空化噪声信号，揭示重油黏度变化的机理。
以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
实施例1
为解决上述问题，本发明设计了一种利用剪切波实时监测超声作用过程中重油黏度变化的方法，该方法包括以下步骤：
当容器中是空气时，利用水域将容器内空气的温度保持在25℃(或其他温度)，向延迟块中发射垂直入射的剪切波脉冲信号，采集延迟块-空气界面的一次回波信号作为参考信号1。然后向容器中缓慢注入重油样品，将重油温度同样保持在25℃，采集此时的一次回波信号2。启动超声发生器，采用低且恒定功率的超声作用重油，同时利用水域循环将容器内温度控制在25℃，采集不同超声作用时间下的界面一次回波信号3、4、5…，同时利用水听器采集油样中的噪声信号。根据不同的反射回波信号计算得到反射系数r、阻抗Z、声速c、剪切模量G等参数，再利用理论公式(1)反演得到黏度值η。最后对比超声作用前后重油的黏度变化情况，并结合空化噪声信号，揭示重油黏度变化的机理。
实施例2
如图1所示，本发明设计了一种利用剪切波实时监测超声作用过程中重油黏度变化的系统，该系统包括：容器、信号发生器、换能器、超声发生器、水听器、示波器、水域控温仪和数据处理模块；
优选地，该方法可以测量任何非牛顿流体的黏度，且该模型可以退化为测量牛顿流体黏度的情况，即：
Figure BDA0003907330030000051
公式(1)和(2)只给出了最终结果，事实上，各个参数在推导过程中都会涉及到；两个阻抗并非同一物理量，计算的相关参数包括阻抗均为重油中的参量；计算时是通过参考信号与回波信号2反演得到一个黏度；参考信号与回波信号3反演得到另外实验条件下的黏度；以此类推，即可得到不同条件下的黏度；黏度与剪切模量相关、剪切模量可以通过声速求得；声速与阻抗相关；阻抗与反射系数相关；我们在实验中直接得到的是反射系数，所以一步一步再求得阻抗、声速、剪切模量、最终得到黏度。
优选地，利用垂直入射的剪切波是相对较容易的测量方法，如利用导波、纵波等皆可实现实时测量的效果。
优选地，该系统较适用实际情况的测量，如将容器设计成可控压力和温度的密封装置等皆为本系统的扩展情况。
优选地，除了空气之外，氮气、二氧化碳等气体及水等液体(并不局限于列举的这些气体或液体，事实上，需要介质的声阻抗远小于延迟块的声阻抗，使得发出的信号在介质和延迟块的交界面发生全反射)均可用作参考信号。
优选地，信号发生器与剪切波换能器相连，采用自激自收模式，可调节发射线号的幅度和相位等参数。
优选地，示波器与信号发生器相连，可对发射和接收信号进行同步，并可将反射回波信号可视化，从而记录有效信息。
优选地，超声发生器与换能器相连，用于发射频率20kHz左右、功率可调的超声波。
优选地，水域控温仪与容器相连，用于控制容器内部的温度保持一致，不至于因传热导致剪切波换能器温度过高而损坏。
优选地，水听器与示波器相连，用于测量超声作用重油过程中产生的空化噪声信号，借以分析重油黏度变化的机理。
优选地，通过回波信号2、3、4…与参考信号1的对比可以得到反射系数的幅度r和相位δ，基于此，可以通过理论模型反演得到黏度η。
(1)当容器中是空气时，采集延迟块-空气界面的一次回波信号作为参考信号1。
(2)向容器中缓慢注入重油样品，将其温度保持与空气中相同，采集此时界面的一次回波信号2。
(3)利用超声作用重油，采集不同超声作用时间下的界面一次回波信号3、4、5…，同时利用水听器采集油样中的噪声信号。
(4)根据不同的反射回波信号计算得到声速、阻抗、剪切模量等参数，再利用理论计算公式反演得到黏度值。
(5)对比超声作用前后重油的黏度变化情况，并结合空化噪声信号，揭示重油黏度变化的机理。
理论模型反演黏度算例：如图2所示，为本发明实施例测试数据图，其中，图2(a)为延迟块-重油界面的时域回波信号与时域参考信号对比图；图2(b)为延迟块-重油界面的频域回波信号与频域参考信号对比图；图2(c)为频域回波信号和频域参考信号的幅度做比值得到反射系数的幅度r；图2(d)为频域回波信号和频域参考信号的相位做差值得到反射系数的相位δ；图2(e)为通过反射系数计算得到剪切模量的实部和虚部；图2(f)为计算得到的黏度η(取中心频率附近的值)。具体地包括：
(1)将延迟块-重油界面的回波信号与参考信号进行对比，对应图2(a)；
(2)将时域信号进行快速傅里叶变换得到频域信号，对应图2(b)；
(3)频域两种信号的幅度做比值得到反射系数的幅度r，对应图2(c)；
(4)频域两种信号的相位做差值得到反射系数的相位δ，对应图2(d)；
(5)通过反射系数计算得到剪切模量的实部和虚部，对应图2(e)；
(6)最后由理论模型计算得到黏度η(取中心频率附近的值)，对应图2(f)。
从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明方法可以实现不同实验条件下液体黏度的实时测量。
实施例3
超声波是通过空化效应、机械效应、热效应等导致重油/其他液体的内部化学结构与组分等产生变化，从而引起黏度变化的，但空化效应的强弱对黏度影响的规律至今仍未有学者研究。因此通过本文的空化噪声法，可以揭示空化效应的强弱对黏度影响的规律。通过水听器测得的空化噪声信号，可以经过数据处理得到空化噪声谱，噪声谱上的基波、次谐波、超谐波、以及宽频带噪声等信息可用于反映空化效应是否存在，并可用于表征空化的强弱，因此可以得到空化强弱与黏度变化的对应关系。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种实时监测超声作用过程中流体黏度变化的方法，该方法包括：
步骤S1.将延迟块置于容器中；向容器中注入声阻抗远低于延迟块的介质，然后向延迟块发射脉冲信号，并采集延迟块和介质界面的一次回波信号作为参考信号；
步骤S2.向容器中注入待测流体，然后向延迟块发射脉冲信号，并采集延迟块和流体界面的一次回波信号；
步骤S3.向流体发射超声信号对流体进行超声作用，并实时采集超声作用过程中延迟块和流体界面的一次回波信号和流体中的空化噪声信号；
步骤S4.根据参考信号和步骤S2-S3中延迟块-流体界面的一次回波信号计算得到不同时间超声作用下流体的黏度值；
步骤S5.对比不同时间超声作用前后流体的黏度变化情况，并结合空化噪声信号，得到流体黏度变化的机理。
2.根据权利要求1所述的实时监测超声作用过程中重油黏度变化的方法，其特征在于，所述延迟块为固体；所述延迟块的材质为PEEK材料、PMMA材料或PTFE材料。
3.根据权利要求1所述的实时监测超声作用过程中重油黏度变化的方法，其特征在于，所述步骤S1中，声阻抗远低于延迟块的介质为空气、氮气、二氧化碳气体和水。
4.根据权利要求1所述的实时监测超声作用过程中重油黏度变化的方法，其特征在于，所述步骤S1和S2中发射的脉冲信号均为垂直入射的剪切波。
5.根据权利要求1所述的实时监测超声作用过程中重油黏度变化的方法，其特征在于，所述步骤S1-S3过程中，要求容器内温度保持一致。
6.根据权利要求1所述的实时监测超声作用过程中重油黏度变化的方法，其特征在于，所述步骤S4，具体包括：
步骤S4-1.利用参考信号和步骤S2中的一次回波信号得到超声作用前流体的初始黏度值；
步骤S4-2.利用参考信号和步骤S3中的一次回波信号得到不同时间超声作用下流体的黏度值。
7.一种实时监测超声作用过程中流体黏度变化的系统，其特征在于，所述系统包括：容器、信号发生器、换能器、超声发生器、水听器、示波器和信号处理模块；
所述容器，用于放置延迟块，在注入介质或待测流体时，使延迟块与介质或流体直接接触；
所述信号发生器和换能器，用于向延迟块发射脉冲信号；
所述超声发生器，与容器相连，用于向流体发射超声信号对流体进行超声作用；
所述水听器，用于测量超声作用下流体中的空化噪声信号；
所述示波器，与信号发生器相连，用于接收延迟块-介质界面反射的参考信号、延迟块-流体界面的一次回波信号、超声作用下延迟块-流体界面的一次回波信号以及空化噪声信号；
所述信号处理模块，用于根据参考信号、延迟块-流体界面的一次回波信号、超声作用下延迟块-流体界面的一次回波信号，计算得到超声作用前后流体的黏度值；还用于对比不同时间超声作用前后流体的黏度变化情况，并结合空化噪声信号，得到流体黏度变化的机理。
8.根据权利要求7所述的实时监测超声作用过程中重油黏度变化的系统，其特征在于，所述系统还包括水域控温仪，用于控制容器内部的温度。
9.根据权利要求8所述的实时监测超声作用过程中重油黏度变化的系统，其特征在于，所述信号发生器采用自激自收模式，发射不同幅度和/或相位的脉冲信号。
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