本發(fā)明涉及一種基于超聲波測量原油壓縮系數(shù)實驗系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

原油是一種由蠟、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)，芳香烴以及輕烴等為主要成分的復雜混合體系。當油溫高于析蠟點時，油中的蠟以分子形式存在于液態(tài)原油中，原油表現(xiàn)為牛頓流體的性質(zhì)；油溫降至析蠟點以下，由于原油中輕質(zhì)烴對蠟的溶解度下降，處于溶解狀態(tài)的蠟因過飽和而按分子量由大到小的次序，隨溫度下降依次結(jié)晶析出，形成蠟晶小顆粒懸浮于液態(tài)原油中。油溫降低，析出的蠟晶顆粒不斷增多，流變特性從牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)榉桥ｎD流體(假塑性流體)；油溫繼續(xù)降低，析蠟量進一步增加，蠟晶顆?；ハ嗦?lián)結(jié)形成絮凝結(jié)構(gòu)；當析蠟量占原油總質(zhì)量的2％～5％，蠟晶顆粒絮凝體相互交聯(lián)，形成三維海綿狀空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，將液態(tài)油束縛其中，原油在整體上由溶膠狀態(tài)轉(zhuǎn)變成凝膠狀態(tài)，并表現(xiàn)出復雜的非牛頓流變行為，如觸變性、黏彈性和屈服應力等。

到目前為止，針對膠凝原油壓縮性的測試方法并不成熟。目前，原油壓縮系數(shù)通過壓縮實驗確定，即對體積為v的原油直接加壓δp，測量其體積變化量δv，利用公式計算壓縮系數(shù)α。當原油溫度在析蠟點溫度以上，油中蠟以分子的形式溶解于液態(tài)原油當中，此時原油為牛頓流體；若忽略壓縮裝置本身的微量不可預知變形，則壓縮系數(shù)地測量相對較準確。然而，當油溫低于析蠟點，蠟不斷結(jié)晶析出并相互交聯(lián)，原油膠凝，由液態(tài)逐漸向膠凝態(tài)(固態(tài))轉(zhuǎn)變，開始表現(xiàn)出粘彈性、屈服應力和觸變性等特性。此種情況下，壓縮實驗中當施加壓力時，由于膠凝原油具有粘彈性和屈服應力，導致膠凝原油內(nèi)部各部分之間的壓力分布不再均勻，且膠凝原油與容器壁之間存在阻力，導致壓縮系數(shù)的測量結(jié)果偏差較大。

此外，原油管道在停輸后的重新再啟動過程中，隨時間進行，蠟晶網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)逐步遭到破壞，膠凝結(jié)構(gòu)強度逐步減弱。而目前對壓縮系數(shù)的測量只能在靜態(tài)狀態(tài)下進行，無法測量和表征膠凝原油在不同結(jié)構(gòu)(剪切)狀態(tài)下的壓縮系數(shù)。因此，開發(fā)一種新的實驗方法測量和表征膠凝原油不同結(jié)構(gòu)(剪切)狀態(tài)下的壓縮系數(shù)具有十分重要的現(xiàn)實意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種基于超聲波測量原油壓縮系數(shù)實驗系統(tǒng)及方法，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)測量原油在不同溫度、不同剪切狀態(tài)下的壓縮系數(shù)。

本發(fā)明的第一目的是提供一種基于超聲波測量原油壓縮系數(shù)實驗系統(tǒng)，本系統(tǒng)利用循環(huán)控溫系統(tǒng)以控制原油溫度，利用攪拌系統(tǒng)對原油進行攪拌剪切，同時設置信號采集裝置以測量原油的超聲波速。

本發(fā)明的第二目的是提供一種基于上述實驗系統(tǒng)的工作方法，能夠測量原油在不同溫度、不同剪切狀態(tài)下的壓縮系數(shù)。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于超聲波測量原油壓縮系數(shù)實驗系統(tǒng)，包括控溫裝置、攪拌裝置、和信號采集裝置；其中，所述攪拌裝置包括承載原油的殼體，所述殼體內(nèi)設置有攪拌部件，所述控溫裝置設置于殼體外側(cè)，以控制殼體內(nèi)的原油溫度。

所述殼體的殼壁不同位置處設置有多個超聲波傳感器，超聲波傳感器與信號發(fā)生器連接，通過調(diào)節(jié)控溫裝置的溫度和攪拌裝置的攪拌速度，利用超聲波為媒介測量原油的超聲波速，計算得到原油在不同溫度、不同剪切狀態(tài)下的壓縮系數(shù)。

進一步的，所述控溫裝置包括控溫循環(huán)水浴和控溫水槽，控溫循環(huán)水浴與控溫水槽形成水循環(huán)，所述殼體設置于控溫水槽內(nèi)，以控制原油溫度。

進一步的，所述攪拌部件包括電機、攪拌軸和攪拌槳葉，所述電機驅(qū)動攪拌槳葉圍繞攪拌軸運動。

進一步的，所述攪拌槳葉上設置有溫度傳感器，可實時測量原油溫度。

進一步的，所述殼體上側(cè)設置有防濺蓋，以防止攪拌過程中原油飛濺并減小原油的揮發(fā)。

進一步的，所述殼體殼壁同一高度處安裝有多對超聲波傳感器，且超聲波傳感器沿筒壁圓周均勻分布，測量不同方向原油超聲波速，以減少原油內(nèi)部雜質(zhì)對超聲波速測量的影響，增加測試準確度。

進一步的，所述超聲波傳感器為超聲波探頭，探頭為帶有螺紋的懸進式探頭，超聲波探頭與原油直接接觸，防止金屬筒壁的影響，使原油中超聲波速測量更加精確。

進一步的，所述信號采集裝置包括信號發(fā)生器和示波器；超聲波傳感器連接信號發(fā)生器，所述信號發(fā)生器連接示波器。

進一步的，所述攪拌槳為錨式攪拌槳，攪拌槳攪拌時會產(chǎn)生切向流動，在槳葉邊緣形成一定剪切，使容器壁附近的膠凝原油能夠受到較好地剪切，也使攪拌罐內(nèi)的攪拌更加均勻；攪拌槳軸心處留空，不設置拌槳桿；攪拌槳內(nèi)部及外部拐角處均采用圓弧過渡設計，以減弱攪拌時攪拌槳葉周圍的流場畸變。

基于上述系統(tǒng)的工作方法，通過調(diào)節(jié)控溫裝置的溫度，使原油處于不同的溫度；控制攪拌裝置的攪拌速度，賦予原油不同剪切狀態(tài)；利用超聲波為媒介測量原油的超聲波速，可計算得到原油在不同溫度、不同剪切狀態(tài)下的壓縮系數(shù)。

壓縮系數(shù)α的計算方法為：

密度通過密度計同步測出。通過測量測試介質(zhì)的超聲波速ν和密度ρ，由公式(1)即可計算得到介質(zhì)的壓縮系數(shù)α。

信號發(fā)生器發(fā)射脈沖信號，超聲波探頭將脈沖信號轉(zhuǎn)化為超聲波發(fā)射至原油中，傳遞到裝置另一端的超聲波探頭，探頭將超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號并傳送到信號發(fā)生器；信號發(fā)生器連接示波器，準確地記錄兩次電信號的時間t1、t2。根據(jù)超聲波在原油中傳遞時間δt和兩個探頭間的距離δl，計算超聲波速度v＝δl/δt。

進一步的，利用蒸餾水標定一對超聲波探頭之間的距離δl，標定時測量測試溫度范圍內(nèi)超聲波在蒸餾水中的傳播時間，依據(jù)相應溫度下蒸餾水聲速v水，聲速v水與傳播時間之間的乘積便是超聲波探頭之間的距離δl。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

(1)利用本發(fā)明設計的裝置，以超聲波為媒介測量原油的超聲波速，可準確地得出原油在不同溫度、不同剪切狀態(tài)下的壓縮系數(shù)；

(2)利用超聲波探頭、信號發(fā)生器和示波器的組合進行超聲波速的測量，探頭選用帶有螺紋的懸進式探頭，使超聲波探頭與原油直接接觸，防止金屬筒壁的影響，使原油中超聲波速地測量更加精確；

(3)通過在同一高度處安裝有多對超聲波探頭，可以測量不同方向的原油超聲波速，以減少原油內(nèi)部雜質(zhì)對超聲波速測量的影響，提高準確度；

(4)利用控溫循環(huán)水浴、控溫水槽(及攪拌罐)組合形成水循環(huán)控溫系統(tǒng)，減小水槽體積以加速水循環(huán)，達到更好地控溫效果，有效地提高控溫精度；同時水循環(huán)控溫系統(tǒng)和溫度傳感器聯(lián)合可實現(xiàn)原油溫度的精確控制，并可實現(xiàn)控制原油的降溫速率和升溫速率。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當限定。

圖1是本發(fā)明的攪拌槳結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學術(shù)語具有與本申請所屬技術(shù)領域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復數(shù)形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

在本發(fā)明中，術(shù)語如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“豎直”、“水平”、“側(cè)”、“底”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，只是為了便于敘述本發(fā)明各部件或元件結(jié)構(gòu)關(guān)系而確定的關(guān)系詞，并非特指本發(fā)明中任一部件或元件，不能理解為對本發(fā)明的限制。

本發(fā)明中，術(shù)語如“固接”、“相連”、“連接”等應做廣義理解，表示可以是固定連接，也可以是一體地連接或可拆卸連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對于本領域的相關(guān)科研或技術(shù)人員，可以根據(jù)具體情況確定上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義，不能理解為對本發(fā)明的限制。

正如背景技術(shù)所介紹的，現(xiàn)有壓縮系數(shù)的測量方法中存在當施加壓力時，由于膠凝原油具有粘彈性和屈服應力，導致原油內(nèi)部各部分之間的壓力分布不再均勻，且原油與容器壁之間存在阻力，導致壓縮系數(shù)的測量結(jié)果存在偏差；且目前對壓縮系數(shù)的測量只能是在靜態(tài)狀態(tài)下進行，無法測量和表征膠凝原油在不同結(jié)構(gòu)(剪切)狀態(tài)下的壓縮系數(shù)。為了解決如上的技術(shù)問題，本申請?zhí)岢隽艘环N基于超聲波測量原油壓縮系數(shù)實驗系統(tǒng)及方法。

本申請的一種典型的實施方式如圖1所示，提供了一種基于超聲波測量原油壓縮系數(shù)實驗系統(tǒng)，由示波器、信號發(fā)生器、懸臂式攪拌器、程控循環(huán)水浴、溫度測量傳感器、攪拌罐和控溫水槽組成的控溫系統(tǒng)組成。

攪拌罐放置在控溫水槽中，攪拌罐內(nèi)放置待測油樣。攪拌罐頂部設計有上蓋，防止攪拌過程中原油飛濺并減小原油的揮發(fā)；上蓋中間留有比攪拌器的攪拌桿略大的圓孔，攪拌時攪拌桿穿過圓孔。

攪拌罐罐壁處嵌有2對超聲波探頭，將其連接信號發(fā)生器和示波器。程控循環(huán)水浴、控溫水槽、攪拌罐組合形成水循環(huán)控溫系統(tǒng)，控制攪拌罐內(nèi)測試原油的溫度；減小水槽體積以加速水循環(huán)，達到更好地控溫效果。程控循環(huán)水浴的控溫精度在0.1℃以內(nèi)。溫度傳感器焊接在攪拌槳上，裝置內(nèi)測試原油的溫度數(shù)值可由溫度傳感器讀出。水循環(huán)控溫系統(tǒng)和溫度傳感器聯(lián)合可實現(xiàn)原油溫度的精確控制，通過程控水浴可控制原油的降溫速率和升溫速率。

利用超聲波探頭、信號發(fā)生器和示波器的組合進行超聲波速的測量。在攪拌罐罐壁同一高度處安裝有4個超聲波探頭；4個探頭均勻分布，可以測量不同方向的原油超聲波速，減少原油內(nèi)部雜質(zhì)對超聲波速測量的影響，增加準確度。探頭選用帶有螺紋的懸進式探頭，使超聲波探頭與原油直接接觸，防止金屬筒壁的影響，使原油中超聲波速測量更加精確。

采用懸臂式攪拌器對原油進行攪拌，攪拌器選用自行設計的攪拌槳(如圖1所示)。新設計攪拌槳為錨式樣式，攪拌槳攪拌時會產(chǎn)生切向流動，在槳葉邊緣形成高剪切率，使容器壁附近的膠凝原油能夠受到較好地剪切，使攪拌罐內(nèi)的攪拌更加均勻；攪拌槳軸心處留空，不設置拌槳桿(葉)，可防止攪拌槳桿(葉)對超聲波速測量產(chǎn)生影響。攪拌槳葉內(nèi)部及外部拐角處均采用小圓弧過渡設計，以減弱攪拌時攪拌槳葉周圍的流場畸變。

測試時，信號發(fā)生器發(fā)射脈沖信號，超聲波探頭將脈沖信號轉(zhuǎn)化為超聲波發(fā)射至原油中，傳遞到裝置另一端的超聲波探頭，探頭將超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號并傳送到信號發(fā)生器。信號發(fā)生器連接示波器，準確地記錄兩次電信號的時間t1、t2(精度可達10^-9s)。根據(jù)超聲波在原油中傳遞時間δt和兩個探頭間的距離δl，便可計算超聲波波速v＝δl/δt。利用蒸餾水對1對超聲波探頭之間的距離δl進行標定。標定時測量測試溫度范圍內(nèi)超聲波在蒸餾水中的傳播時間，依據(jù)相應溫度下蒸餾水聲速v水，聲速v水與傳播時間之間的乘積便是超聲波探頭之間的距離δl。

壓縮系數(shù)測量物理原理如下：當介質(zhì)受壓，其體積縮小，密度增大，除去外力后體積能恢復原狀。壓縮系數(shù)α是體積模量k的倒數(shù)，其定義為單位壓力變化時引起的介質(zhì)單位體積的變化量，計算公式如下：

同時，由波動理論可知機械波縱波在介質(zhì)中傳播速度的計算公式為：式中ρ為介質(zhì)的密度。因此，壓縮系數(shù)α可由如下公式計算：

通過測量測試介質(zhì)的超聲波速ν和密度ρ，由公式即可計算得到介質(zhì)的壓縮系數(shù)α。超聲波在原油中以縱波傳播。本發(fā)明基于該方法，設計出膠凝原油的超聲波速測試系統(tǒng)，密度通過密度計同步測出。

以上所述僅為本申請的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本申請，對于本領域的技術(shù)人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護范圍之內(nèi)。

上述雖然結(jié)合附圖2對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術(shù)人員應該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎上，本領域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。