本發(fā)明屬于凝膠力學評價技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于評價凝膠性能的裝置及其評價方法。

背景技術(shù)：
油井出水是油田開發(fā)中后期遇到的普遍現(xiàn)象，針對油層厚、多，層間差異大，高含水，必須對出水嚴重的層位進行控制，凝膠在化學堵水方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前，一般的凝膠性能檢測方法主要有：巖心實驗法、粘彈性儀、質(zhì)構(gòu)儀、試管法等?，F(xiàn)有的凝膠性能檢測方法需要人工花費大量的時間檢測相關(guān)參數(shù)，周期長；由于使用不同的儀器，誤差較大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種用于評價凝膠性能的裝置及其評價方法，能在較短時間內(nèi)計算出突破壓力和彈性模量，具有動態(tài)、高效、快速的特點。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：凝膠力學性能評價儀，包括有左進液瓶和右進液瓶，進液口1與左進液瓶2相連；左進液瓶內(nèi)設(shè)有泵3；左進液瓶與氮氣瓶4相連；顯微鏡5設(shè)在左進液瓶和右進液瓶之間，在顯微鏡上方設(shè)有工業(yè)照相機6；工業(yè)照相機6與計算機相連20；毛細管置于氣動閥一9與氣動閥二19之間，顯微鏡下方設(shè)有光源22，左進液瓶和右進液瓶之間設(shè)有轉(zhuǎn)動軸7，轉(zhuǎn)動軸7上設(shè)有旋轉(zhuǎn)齒輪8，轉(zhuǎn)動軸與左側(cè)進液瓶內(nèi)的電機相連，電機與左進液瓶側(cè)壁上的調(diào)速閥11相連；左進液瓶、右進液瓶相鄰的側(cè)壁上分別設(shè)有氣動閥一9、氣動閥二19，在右進液瓶左側(cè)壁下部設(shè)有出液口10；所述的左進液瓶一上設(shè)有總開關(guān)12、控制夾緊閥13、智能控制儀14、退泵開關(guān)15、進泵開關(guān)16；總開關(guān)12與智能控制儀、進泵燈、退泵燈相連；控制夾緊閥13與氮氣瓶4、氣動閥一9、氣動閥二19相連；智能控制儀14與泵3相連，退泵開關(guān)15與進液口1相連，進泵開關(guān)16與出液口21相連；所述的右進液瓶17上設(shè)有旋轉(zhuǎn)方向選擇鍵18，旋轉(zhuǎn)方向選擇鍵18與轉(zhuǎn)動軸7相連。所述的照片采集器采用CCD工業(yè)相機，置于顯微鏡上部。一種利用凝膠性能的裝置評價凝膠性能的方法，包括以下步驟：步驟1，配置凝膠，測試凝膠成膠時間并把凝膠裝入毛細管中待用，設(shè)置凝膠長度在65-70mm之間；步驟2，打開氮氣瓶4，啟動總開關(guān)12接通電源，打開進液口1，關(guān)閉出液口10，打開退泵開關(guān)15，泵3的泵速至調(diào)最大等待退泵至充滿，退泵提示燈亮，設(shè)置泵速為8檔；步驟3，將凝膠裝在旋轉(zhuǎn)齒輪8上并啟動旋轉(zhuǎn)齒輪8與氣動閥一9固定毛細管；調(diào)節(jié)顯微鏡與CCD工業(yè)像機的焦距、光圈使凝膠的圖像最清楚，打開進泵開關(guān)16，調(diào)節(jié)泵速，設(shè)置泵速為2檔；步驟4，上述步驟完成后打開軟件開始抓圖，用CCD工業(yè)相機采集凝膠在毛細管中運動的實時照片，將實時照片傳入數(shù)據(jù)庫，設(shè)置采集速率為10張/s；步驟5，圖像處理模塊進行如下處理：將數(shù)據(jù)庫中的照片讀入軟件中并利用軟件處理照片，通過識別技術(shù)確定凝膠液面的上下邊界；對該圖進行圖像分割確定圓心及曲率等參數(shù)；將兩張圖片的圓心橫坐標加半徑的值做減法得出兩張圖片之間的最大位移差，并將該值作為凝膠形變量；將該形變量值代入泊肅葉方程，縱向線應(yīng)變式和胡可定律式等計算出凝膠的粘度、線應(yīng)變、彈性模量特征參數(shù)；繪制壓力-時間曲線、粘度-時間曲線圖，清楚的看到凝膠的抗壓強度，突破壓力及粘度等特征參數(shù)，如此便可以得到樣品的力學性質(zhì)。本發(fā)明的有益效果是：凝膠作為化學堵水劑，在原油開采、提高油氣采收率等方面有著極其重要的作用。為了提高堵塞效果,延長堵塞有效期,形成的凝膠應(yīng)當具有足夠的力學強度。由于測試手段的限制,在不采用巖心封堵試驗方法的情況下,凝膠的強度一般是通過動力粘度來表征的,而且測定條件無規(guī)定。用這種簡便方法評價凝膠這種在結(jié)構(gòu)上和力學性能上都很復(fù)雜的體系是遠遠不夠的。要準確評價凝膠的性能,首先必須結(jié)合凝膠的結(jié)構(gòu)充分認識凝膠的各種性能,特別是力學性能。本發(fā)明使用一種功能全、性能好、方便、快捷的凝膠性能評價儀對凝膠的力學性能進行了多方面的研究，包括突破壓力、應(yīng)變、抗突破能力、彈性模量等?？蔀槟z力學性能的全面評價、配方篩選、交聯(lián)(凝膠化)過程研究提供基礎(chǔ)資料和實驗研究方法。本發(fā)明的方法可高效、快捷的得出凝膠的參數(shù)。本發(fā)明涉及在運動過程中計算凝膠力學性質(zhì)的裝置，特別是能簡便、快捷的計算出凝膠突破壓力、粘度和彈性模量等參數(shù)的儀器。目的是建立一種動態(tài)的、高效的、快速的凝膠性能檢測方案，能在短時間內(nèi)準確的計算出突破壓力、彈性模量、粘度等重要參數(shù)。用傳感器采集圖像，通過Delphi的自帶函數(shù)可手動確定凝膠的上下邊緣，用邊緣檢測將確定好的凝膠圖像二值化，進行閾值分割提取出需要處理的凹液面，進行曲率計算即可得出相應(yīng)的凝膠形變量值；將求出的像素點個數(shù)根據(jù)對應(yīng)的放大倍數(shù)轉(zhuǎn)換為毫米、厘米單位；兩幅圖像的圓心及曲率之和的位移差，配合毛細管的直徑及時間差就可以求得對應(yīng)的瞬時流量。針對在凝膠壓力檢測實時性不足以及精度低的問題，提出了一套改善識別結(jié)果的方案。研究采用主成分分析法對采集的特征進行主元分析，結(jié)合支持向量機和序列最小化優(yōu)化算法對圓形缺陷和線形缺陷進行分類識別，同時算法結(jié)合并行編程技術(shù)以及數(shù)據(jù)模板技術(shù)，提高了識別的實時性及準確性。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將相機拍攝的實時照片存儲在數(shù)據(jù)庫中，方便提取與保存。軟件可以將數(shù)據(jù)庫中的照片提取出來進行單張?zhí)幚砘蚺幚怼１鞠到y(tǒng)有簡潔的人機交互界面，可以選擇在處理過程中的某一步停止，方便實驗室員觀察和理解。本發(fā)明的優(yōu)點在于:1）毛細管更接近于儲層的孔喉，用其研究的力學參數(shù)則更接近現(xiàn)場，實驗更接近于儲層實際，對現(xiàn)場有非常強的指導意義。2）相機能拍下不同壓力下毛細管內(nèi)界面的變化，以便通過照片分析、計算凝膠的力學性質(zhì)。3）通過像素點來計算凝膠在毛細管中的位置差異，求得的參數(shù)相對于原來的試驗方法結(jié)果更為精確。4）本發(fā)明的方法，第一，擴大了毛細管的選擇范圍，不會以毛細管有無刻度作為選擇標準。第二，減少了肉眼讀數(shù)的誤差，提高了精度。附圖說明圖1為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的流程圖。圖3為本發(fā)明的實驗步驟圖。圖4為本發(fā)明實施例繪制的曲線圖，其中圖4（a）為時間壓力曲線圖，圖4（b）為形變量曲線，圖4（c）為彈性模量曲線，圖4（d）為粘度曲線。圖5為本發(fā)明的凝膠實驗?zāi)K原理框圖。圖6為本發(fā)明的圖像處理模塊處理流程圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。凝膠力學性能評價儀，包括有左進液瓶和右進液瓶，進液口1與左進液瓶2相連；左進液瓶內(nèi)設(shè)有泵3；左進液瓶與氮氣瓶4相連；顯微鏡5設(shè)在左進液瓶和右進液瓶之間，在顯微鏡上方設(shè)有工業(yè)照相機6；工業(yè)照相機6與計算機相連20；毛細管置于氣動閥一9與氣動閥二19之間，顯微鏡下方設(shè)有光源22，左進液瓶和右進液瓶之間設(shè)有轉(zhuǎn)動軸7，轉(zhuǎn)動軸7上設(shè)有旋轉(zhuǎn)齒輪8，轉(zhuǎn)動軸與左側(cè)進液瓶內(nèi)的電機相連，電機與左進液瓶側(cè)壁上的調(diào)速閥11相連；左進液瓶、右進液瓶相鄰的側(cè)壁上分別設(shè)有氣動閥一9、氣動閥二19，在右進液瓶左側(cè)壁下部設(shè)有出液口10；所述的左進液瓶一上設(shè)有總開關(guān)12、控制夾緊閥13、智能控制儀14、退泵開關(guān)15、進泵開關(guān)16；總開關(guān)12與智能控制儀、進泵燈、退泵燈相連；控制夾緊閥13與氮氣瓶4、氣動閥一9、氣動閥二19相連；智能控制儀14與泵3相連，退泵開關(guān)15與進液口1相連，進泵開關(guān)16與出液口21相連；所述的右進液瓶17上設(shè)有旋轉(zhuǎn)方向選擇鍵18，旋轉(zhuǎn)方向選擇鍵18與轉(zhuǎn)動軸7相連。所述的照片采集器采用CCD工業(yè)相機，置于顯微鏡上部。運行原理：（凝膠性能實驗?zāi)K）打開氮氣瓶、軟件、總開關(guān)，檢測設(shè)備是否可以正常運行。將凝膠裝入毛細管，并設(shè)定額定長度為65-70mm，調(diào)節(jié)顯微鏡及攝像頭使凝膠的凹液面在電腦上可以清楚地顯示，打開進泵開關(guān)和軟件中的開始抓圖按鈕，調(diào)節(jié)泵速——由慢到快，其中微調(diào)是為了取得抗壓強度相關(guān)參數(shù)，然后將泵速置于2檔恒速驅(qū)動；（圖像及數(shù)據(jù)采集模塊）在該過程中通過CCD工業(yè)攝像機及圖像采集卡將壓力信號和凝膠在毛細管中的運動狀態(tài)以照片形式采集出來；（數(shù)據(jù)傳輸模塊）通過RS485串行接口將這些批量數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)庫待使用；（圖像處理模塊）從數(shù)據(jù)庫中讀出圖片進行圖像分割，使用sobel算子、大津法算子來自動確定所給圖片的凹液面、圓心及曲率等參數(shù)。利用上述參數(shù)便可以計算出凝膠的抗壓強度、粘度、突破壓力重要參數(shù)，并繪制相應(yīng)的曲線。一種用于評價凝膠性能的系統(tǒng)，包括有與左進液瓶和右進液瓶相連的凝膠性能實驗?zāi)K、與工業(yè)照相機相連的圖像及數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和設(shè)在計算機內(nèi)的圖像處理模塊：其中，所述凝膠性能實驗?zāi)K，用于保證凝膠實驗的穩(wěn)定進行；所述圖像及數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集多組、大量的實時照片，傳入數(shù)據(jù)庫；所述數(shù)據(jù)傳輸模塊，用于并行傳輸大批量實時數(shù)據(jù)，延遲較小；所述圖像處理模塊，用于處理數(shù)據(jù)庫中的照片，在較短時間內(nèi)計算出相應(yīng)的特征參數(shù)。參見圖5，所述凝膠實驗?zāi)K具體包括：智能控制單元，氣動控制單元和齒輪控制單元，智能控制單元通過芯片一與穩(wěn)壓電源相連；氣動控制單元通過芯片二與穩(wěn)壓電源相連；齒輪控制單元通過芯片三與穩(wěn)壓電源相連；智能控制單元，用于對輸入信號編號、變送輸出信號；量程上限、量程下限；變送高限、低限，小數(shù)點；吸合值、釋放值；零點誤差修正值、濾波系數(shù)、溫度單位進行設(shè)置；齒輪控制單元，用于將裝有凝膠的毛細管傳送到最佳的拍攝位置，穩(wěn)定毛細管；氣動控制單元，用于穩(wěn)定和密封毛細管；其中，智能控制單元、齒輪控制單元、氣動控制單元分別由凝膠性能實驗?zāi)K內(nèi)部的芯片一、芯片二、芯片三控制，各部分都是人工獨立控制的。所述圖像采集模塊具體包括：顯微放大單元，用于清楚的觀測凝膠在毛細管中的運動狀態(tài)；圖像采集單元，用于實時采集某一點時凝膠在毛細管中的運動狀態(tài)。所述圖像處理模塊具體包括：圖像分割單元，用于將數(shù)據(jù)庫中的圖片進行圖像分割轉(zhuǎn)換為軟件更易處理的形式；圖像特征參數(shù)計算單元，用于計算圖像分割單元所提供圖像的具體參數(shù)。凝膠性能特征參數(shù)計算單元：用于將上述圖像特征參數(shù)計算單元計算出的圖像參數(shù)代入公式計算出相應(yīng)的凝膠性能特征參數(shù)。一種利用凝膠性能的裝置評價凝膠性能的方法，包括以下步驟：步驟1，配置凝膠，測試凝膠成膠時間并把凝膠裝入毛細管中待用，設(shè)置凝膠長度在65-70mm之間；步驟2，打開氮氣瓶4，啟動總開關(guān)12接通電源，打開進液口1，關(guān)閉出液口10，打開退泵開關(guān)15，泵3的泵速至調(diào)最大等待退泵至充滿，退泵提示燈亮，設(shè)置泵速為8檔；步驟3，將凝膠裝在旋轉(zhuǎn)齒輪8上并啟動旋轉(zhuǎn)齒輪8與氣動閥一9固定毛細管；調(diào)節(jié)顯微鏡與CCD工業(yè)像機的焦距、光圈使凝膠的圖像最清楚，打開進泵開關(guān)16，調(diào)節(jié)泵速，設(shè)置泵速為2檔；步驟4，上述步驟完成后打開軟件開始抓圖，用CCD工業(yè)相機采集凝膠在毛細管中運動的實時照片，將實時照片傳入數(shù)據(jù)庫，設(shè)置采集速率為10張/s；步驟5，圖像處理模塊進行如下處理：將數(shù)據(jù)庫中的照片讀入軟件中并利用軟件處理照片，通過識別技術(shù)確定凝膠液面的上下邊界；對該圖進行圖像分割確定圓心及曲率等參數(shù)；將兩張圖片的圓心橫坐標加半徑的值做減法得出兩張圖片之間的最大位移差，并將該值作為凝膠形變量；將該形變量值代入泊肅葉方程，縱向線應(yīng)變式和胡可定律式等計算出凝膠的粘度、線應(yīng)變、彈性模量特征參數(shù)；繪制壓力-時間曲線、粘度-時間曲線圖，清楚的看到凝膠的抗壓強度，突破壓力及粘度等特征參數(shù)，如此便可以得到樣品的力學性質(zhì)。利用所述凝膠力學性能評價儀進行凝膠力學性能評價的方法，包括以下步驟：一、實驗單元1）參數(shù)設(shè)置進入凝膠性能的裝置的4個不同的界面,分別設(shè)置輸入信號編號、變送輸出點誤差修正值、濾波系數(shù)、溫度單位，智能控制儀參數(shù)已由廠家設(shè)置好；2）泵壓控制通過調(diào)速閥控制泵壓的大小，通過泵壓控制毛細管中凝膠流動的速度，滿足對速度控制的要求。在退泵時，設(shè)置泵速于8檔；進泵時設(shè)置泵速于2檔；3）齒輪控制操作旋轉(zhuǎn)方向閥控制齒輪正向、逆向旋轉(zhuǎn)；控制旋轉(zhuǎn)齒輪的轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向，使毛細管停在最佳的拍照位置；4）穩(wěn)定裝置將N2接入智能控制儀的控制閥，通過控制夾緊閥控制氣動閥，氣動閥緩慢頂住毛細管，并密封毛細管，避免毛細管擺動引起誤差，設(shè)置氮氣壓力0.4MPa；二、數(shù)據(jù)采集與傳輸1）圖像采集與傳輸通過架在顯微鏡上的CCD工業(yè)相機，采集凝膠在毛細管實時圖像；壓力信號的采集則是由上位機通過RS485與下位機通信得到實時的壓力數(shù)據(jù)。經(jīng)由數(shù)據(jù)線將實時圖片傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中，并行傳輸大批量實時數(shù)據(jù)，延遲較小。三、計算圖像特征參數(shù)采用主成分分析法對采集的特征進行主元分析，結(jié)合支持向量機和序列最小化優(yōu)化算法對圓形缺陷和線形缺陷進行分類識別，同時算法結(jié)合并行編程技術(shù)以及數(shù)據(jù)模板技術(shù)。凝膠圖像通過傳感器呈現(xiàn)在凝膠分析軟件的主界面上，采集的實時圖像顯示在分析界面，通過識別技術(shù)確定凝膠液面的上下邊界，再用sobel算子處理圖像，使邊界內(nèi)的圖像二值化，確定圖像凹液面同時運用算法結(jié)合并行編程技術(shù)得出液面的曲率半徑及誤差等參數(shù)，分析參數(shù)可得出相關(guān)的凝膠參數(shù)。參見圖6，圖像分割的具體方法1）確定要處理圖像的上下邊界。2）進行四次均值濾波，利用Sobel算子和大津法處理圖像。3）全部為0則大津法全局分割，不為0針對制定區(qū)域內(nèi)部分割，經(jīng)過處理后界面圖像被二值化。曲率的具體算法1）確定試管內(nèi)液面的上下邊界，并將邊界內(nèi)的圖像二值化。2）確定液面的凹凸方向。3）將液面的圓心定位在上下邊界的中線上，來回移動圓心點計算半徑的累積最小誤差。4）累積誤差最小的點即為圓心點，將得到的半徑帶入曲率公式即可得到曲率及曲率半徑。實施例1：利用所述凝膠力學性能評價儀進行凝膠力學性能評價的方法，包括以下步驟：一、實驗啟動已經(jīng)設(shè)置好參數(shù)的智能控制儀；將泵速調(diào)至8檔進行退泵到退泵燈亮；將已裝填凝膠的毛細管裝在旋轉(zhuǎn)齒輪上，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)方向與速度在不損壞毛細管的情況下將毛細管置于鏡頭下方合適位置；開氮氣瓶、啟動氣動閥用于固定、密封毛細管；連接好CCD工業(yè)相機，調(diào)節(jié)顯微鏡使凝膠在軟件主界面中顯示最清楚；打開出液口，調(diào)節(jié)泵速至2檔實驗開始。二、數(shù)據(jù)采集設(shè)置采集速度為10張/s，點擊抓圖，輸入壓力校正值（0.003-0.007MPa），開始抓圖，便可以得到實時圖像數(shù)據(jù)；壓力信號的采集則是由上位機通過RS485與下位機通信得到實時的壓力數(shù)據(jù)。最后將圖像和壓力數(shù)據(jù)一起寫入數(shù)據(jù)庫中代用。三、數(shù)據(jù)處理，具體做法是：采用主成分分析法對采集的特征進行主元分析，結(jié)合支持向量機和序列最小化優(yōu)化算法對圓形缺陷和線形缺陷進行分類識別，同時算法結(jié)合并行編程技術(shù)以及數(shù)據(jù)模板技術(shù)。凝膠圖像通過傳感器呈現(xiàn)在凝膠分析系統(tǒng)的主界面上，手動采集實時圖像顯示在分析界面，通過識別技術(shù)確定凝膠的上下邊界，再用sobel算子處理圖像，使邊界內(nèi)的圖像二值化，確定圖像凹液面同時運用算法結(jié)合并行編程技術(shù)得出液面的曲率、半徑及誤差等參數(shù)及實時壓力值。將兩張圖片的圓心橫坐標加半徑的值做減法得出兩張圖片之間的最大位移差，并將該值作為凝膠形變量；將該形變量值代入泊肅葉方程，縱向線應(yīng)變式和胡可定律式等計算出凝膠的粘度、線應(yīng)變、彈性模量等特征參數(shù)；繪制壓力-時間曲線、粘度-時間曲線等，更加清楚的看到凝膠的抗壓強度，突破壓力及粘度等特征參數(shù)。如此便可以得到樣品的力學性質(zhì)。實施例2：一、不同測量方案對比樣品：化工集團3號凝膠二、處理步驟1）實驗準備開氮氣瓶、啟動凝膠智能分析儀、打開凝膠智能分析軟件、裝凝膠樣品、調(diào)整顯微鏡與CCD工業(yè)攝像頭。2）采集數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)泵速至2檔、輸入壓力校正值、開泵、點擊開始抓圖，開始采集數(shù)據(jù)、點擊停止抓圖，抓圖停止并將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。3）數(shù)據(jù)處理輸入凝膠長度，點擊自動分析，軟件自動處理數(shù)據(jù)。4）繪圖數(shù)據(jù)分析繪制壓力-時間曲線，凝膠形變量曲線，彈性模量曲線，粘度曲線。三、處理結(jié)果1）總數(shù)據(jù)2）繪制曲線時間壓力曲線圖、形變量曲線圖、彈性模量曲線圖和粘度曲線圖。四、數(shù)據(jù)分析1）從時間壓力曲線非常明顯得出突破壓力為0.028Mpa；粘度曲線得到樣品粘度為24483mpas。2）整個實驗持續(xù)時間為5.6s，抓圖56幅。本裝置可以在較短的時間內(nèi)測量出樣品所需要的特征參數(shù)。3）實驗數(shù)據(jù)和常規(guī)方法測得的數(shù)據(jù)一致；實驗結(jié)果和常規(guī)方法測得的結(jié)果誤差較小分別為5.83%和6.44%屬于允許誤差范圍，精度較高。