專利名稱：一種用于測量石油流變特性的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量液體流變特性的系統(tǒng)和方法，特別是涉及一種用于測量石油隨溫度變化時流變特性的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
我國的原油油田分布很廣，油田、煉油廠和使用油的地方往往相距甚遠。這就要求通過各種方式加以輸運，我國每年通過管線輸運的原油約1.2億噸，其中80～90％是含蠟原油，它具有凝點高、粘度高，在常溫下為非牛頓流體，流動性差等缺點。為了使含蠟原油具有良好的流動性，我國目前仍然采用傳統(tǒng)的輸送方法——加熱輸送。而為保證不出現(xiàn)堵塞管道的災(zāi)難性嚴(yán)重事故，通常原油輸運溫度至少要高于原油凝點溫度3℃以上，為此，我國每年要燒掉幾十萬噸原油，價值數(shù)億元人民幣。由此可見，哪怕輸運溫度僅僅降低1℃，即可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。
含蠟原油的安全節(jié)能輸送技術(shù)的發(fā)展有賴于對原油在管道中受熱狀況不同時流動性能的影響以及原油的凝固和熔化過程的研究。通過對含蠟原油隨溫度變化時，流動狀態(tài)下的流變特性的測量，可以找到最佳石油輸運溫度，而且也可以避免輸運過程中嚴(yán)重的管道堵塞事故，從而提高管輸?shù)慕?jīng)濟效益，提高我國石油工業(yè)的國際競爭力。含蠟原油是一種非牛頓流體，在管道輸運過程中，除了在管道流動中位置和速度發(fā)生變化，原油的溫度也是要變化的，因而其粘度也隨之發(fā)生著變化，且原油的流變特性是與其在流動過程中的剪切歷史有關(guān)，也與其在流動過程中的受熱歷史有關(guān)。
在中國專利ZL00109778.4中公開了一種“圓環(huán)流動裝置測量流體流變特性的方法”，該方法利用了從環(huán)管循環(huán)流動觀測裝置和轉(zhuǎn)輪流動模擬器發(fā)展而來的圓環(huán)流動裝置，對石油的流變特性進行了測量。但是這種裝置和方法僅僅考慮了石油流動中在恒溫時的剪切歷史對其流變特性的影響，不能完全、真實地模擬原油在長距離輸運中的情況，因而在解決找尋最佳石油輸運溫度方面具有局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)測量石油流變特性的裝置和方法不能完全、真實地模擬原油在長距離輸運中的情況，解決實際問題中具有的局限性，從而提供一種可以真實地模擬原油管輸情形的用于測量石油流變特性的系統(tǒng)和方法。
本發(fā)明的目的是通過如下的技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明提供一種用于測量石油流變特性的系統(tǒng)，包括一圓環(huán)流動測量裝置10，一動力裝置9和一控制臺11；所述的圓環(huán)流動測量裝置10包括一管狀圓環(huán)1，位于圓環(huán)1內(nèi)壁上的壓力傳感器3，及一與壓力傳感器相連接的壓力訊號發(fā)射裝置4，控制臺11上設(shè)有一與之對應(yīng)的壓力訊號接收裝置7和視頻記錄儀6，管狀圓環(huán)1上設(shè)有一注入孔15，其特征在于，所述的圓環(huán)流動測量裝置10置于一密封箱2內(nèi)，圓環(huán)1內(nèi)壁上設(shè)有一溫度傳感器12，及與溫度傳感器相連接的溫度訊號發(fā)射裝置14，控制臺11上設(shè)有一與之對應(yīng)的溫度訊號接收裝置13，密封箱2內(nèi)設(shè)有由控制臺11控制的氣溫控制裝置8，或是水/油溫控制裝置5。
所述的氣溫控制裝置8為空調(diào)裝置，適用于低精度的測量。
所述的水/油溫控制裝置5為將圓環(huán)流動測量裝置10置于水或油浴中的控溫裝置，適用于高精度的測量。
本發(fā)明提供一種利用上述用于測量石油流變特性的系統(tǒng)對石油的流變特性進行測量的方法，包括如下步驟1/在靜止?fàn)顟B(tài)下，將外徑為R0的圓環(huán)1的注入孔15的下端與圓環(huán)正中間水平線相切，將待測石油從注入孔處裝入，直至注入孔下端平齊處，裝入量為圓環(huán)容積的1/2；2/開啟動力裝置9，以轉(zhuǎn)動速度ω旋轉(zhuǎn)圓環(huán)1；3/開啟溫度訊號接收裝置13、溫度傳感器12及溫度訊號發(fā)射裝置14，測量圓環(huán)1內(nèi)的溫度，并由控制臺11通過計算機系統(tǒng)控制水/油溫控制裝置5或氣溫控制裝置8，使圓環(huán)流動測量裝置10處于所設(shè)定的溫度T(t)；4/開啟壓力傳感器3、壓力訊號發(fā)射裝置4和壓力訊號接收裝置7，在視頻記錄儀6上記錄由壓力傳感器測量到的圓環(huán)壁上的壓力變化曲線，并根據(jù)ZL00109778.4中的方法來確定在轉(zhuǎn)動速度ω和溫度T(t)下的高度差h，及待測石油的表觀粘度μT(t)，ω。
利用本發(fā)明提供的用于測量石油流變特性的系統(tǒng)和方法可對石油的動態(tài)流變特性進行測量。本系統(tǒng)可真實地模擬含蠟原油在管道輸運過程中表現(xiàn)的特性，可同時反映出其各種情況的剪切歷史和受熱歷史。由于存在過冷，原油從較高溫度降至凝固點時，在流動狀態(tài)下的原油仍然可能保持其流動特性；同理，由于過熱，原油從較低溫度上升到熔化點時，原油可能將會保持非流動狀態(tài)。因而，利用本發(fā)明的用于測量石油流變特性的系統(tǒng)和方法可以研究原油在凝固點附近的流變特性是十分有意義的。模擬原油在管道輸運過程中從較高溫度降至凝固點時表現(xiàn)的特性為原油安全節(jié)能的輸運提供了理論依據(jù)。另外，利用本方法進行多次測量，可以建立待測石油、轉(zhuǎn)動速度ω、溫度T(t)和表觀粘度μ的一套數(shù)據(jù)庫，為實際應(yīng)用提供一個標(biāo)準(zhǔn)曲線，在不具備做實驗?zāi)M的條件下，也可選擇出安全節(jié)能的輸運條件。


圖1為本發(fā)明提供的用于測量石油流變特性的系統(tǒng)的示意圖。
其中，圓環(huán)1 密封箱2 壓力傳感器3壓力訊號發(fā)射裝置4 水/油溫控制裝置5視頻記錄儀6壓力訊號接收裝置7 氣溫控制裝置8 動力裝置9圓環(huán)流動測量裝置10 控制臺11溫度傳感器12溫度訊號接收裝置13 溫度訊號發(fā)射裝置14 注入孔1具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的說明。
本發(fā)明通過圖1所示系統(tǒng)測量隨溫度變化時石油流變特性的方法如下1/在靜止?fàn)顟B(tài)下，將外徑為R0的圓環(huán)1的注入孔15的下端與圓環(huán)正中間水平線相切，將待測石油從注入孔處裝入，直至注入孔下端平齊處，裝入量為圓環(huán)容積的1/2；2/開啟動力裝置9，以轉(zhuǎn)動速度ω旋轉(zhuǎn)圓環(huán)1；3/開啟溫度訊號接收裝置13、溫度傳感器12及溫度訊號發(fā)射裝置14，測量圓環(huán)1內(nèi)的溫度，并由控制臺11通過計算機系統(tǒng)控制水/油溫控制裝置5或氣溫控制裝置8，使圓環(huán)流動測量裝置10處于所設(shè)定的溫度T(t)；
4/開啟壓力傳感器3、壓力訊號發(fā)射裝置4和壓力訊號接收裝置7，在視頻記錄儀6上記錄由壓力傳感器測量到的圓環(huán)壁上的壓力變化曲線，并根據(jù)ZL00109778.4中的方法來確定在轉(zhuǎn)動速度ω和溫度T(t)下的高度差h，及待測石油的表觀粘度μT(t)，ω。
實施例1、模擬溫度變化T＝T(t)時石油動態(tài)流變特性的測量對于某種石油從A地在管道內(nèi)被輸運到B地，沿途管道溫度是變化的T＝T(x)，如果沿途的石油輸運速度v＝v(x)，則可將石油位置x的變化換算為時間t的變化x＝vt，從而得到T＝T(t)，并可據(jù)此設(shè)定模擬狀態(tài)的溫度變化。
例如A地是石油加熱站，凝固點為15℃的石油，以線性的降溫方式T(x)＝T0-kx被輸運到B地，其中T0為石油在A地剛剛加熱后的初始溫度，x為石油離開A地的位置，k為沿途降溫系數(shù)2℃/km，假設(shè)T0是100℃，AB兩地為40km，這時石油到達B地的溫度為100℃-2℃/km×40km＝20℃，高出該石油凝固點(15℃)5℃，所以該運輸是安全的。
顯然，石油在A地不必加熱到100℃，只要加熱到98℃即可。但是為了安全起見，現(xiàn)在我們要在實際的長距離輸運前在本發(fā)明提供的圓環(huán)內(nèi)模擬該石油的輸運情況。如果石油在管道中輸運速度為5km/hr，則需經(jīng)過8小時運輸才能抵達B地。為了保證模擬出相同的熱效應(yīng)，待測石油在管內(nèi)也應(yīng)轉(zhuǎn)動8小時，即每小時降溫10℃。因而控制圓環(huán)1內(nèi)的溫度以T(t)＝T0-gt降溫，g＝10℃/hr，即每小時降溫10℃。
按照上述參數(shù)進行模擬測量1/在靜止?fàn)顟B(tài)下，將外徑為R0的圓環(huán)1的注入孔15的下端與圓環(huán)正中間水平線相切，將待測石油從注入孔處裝入，直至注入孔下端平齊處，裝入量為圓環(huán)容積的1/2；2/開啟動力裝置9，以測量所需的轉(zhuǎn)動速度ω旋轉(zhuǎn)圓環(huán)1；即ω＝V/2πR0，其中V＝5km/hr；3/開啟溫度訊號接收裝置13、溫度傳感器12及溫度訊號發(fā)射裝置14，測量圓環(huán)1內(nèi)的溫度，并由控制臺11通過計算機系統(tǒng)控制水/油溫控制裝置5或氣溫控制裝置8，使圓環(huán)流動測量裝置10處于待模擬的溫度T(t)；由T(t)＝T0-gt，T0＝98℃，g＝10℃/hr，所以設(shè)定T(t)＝98-10t；4/開啟壓力傳感器3、壓力訊號發(fā)射裝置4和壓力訊號接收裝置7，在視頻記錄儀6上記錄由壓力傳感器測量到的圓環(huán)壁上的壓力變化曲線，并根據(jù)ZL00109778.4中的方法來確定在轉(zhuǎn)動速度ω和溫度T(t)下的高度差h，及待測石油的表觀粘度μT(t)，ω。
最后通過有編輯程序的計算機實時運算，打印出要求的原油動態(tài)流變特性數(shù)據(jù)；如果認為記錄的數(shù)據(jù)可以滿足使用需求，關(guān)閉有關(guān)運行系統(tǒng)；否則另行設(shè)置，重新運行測量方法進行模擬。
這樣，我們在石油輸運以前進行圓環(huán)內(nèi)模擬研究，就可以得到工地現(xiàn)場流動的主要情況。然后通過現(xiàn)場實測進一步修正該模擬測量。
實施例2、在凝固點附近T＝(Tn+T1)～(Tn-T2)時石油動態(tài)流變特性的測量(其中，Tn為凝固點溫度；T1、T2凝固點溫度增加量和減少量)1/在靜止?fàn)顟B(tài)下，將外徑為R0的圓環(huán)1的注入孔15的下端與圓環(huán)正中間水平線相切，將待測石油從注入孔處裝入，直至注入孔下端平齊處，裝入量為圓環(huán)容積的1/2；2/開啟動力裝置9，使其轉(zhuǎn)動的速度ω為測量所需的數(shù)值V，ω＝V/2πR0，通常V＝V0＝常數(shù)，例如10cm/sec；如果需要，也可以是隨時間變化的速度V＝V(t)；3/開啟溫度訊號接收裝置13、溫度傳感器12及溫度訊號發(fā)射裝置14，測量圓環(huán)1內(nèi)的溫度，并由控制臺11通過計算機系統(tǒng)控制水/油溫控制裝置5或氣溫控制裝置8，使圓環(huán)流動測量裝置10從凝固點Tn附近的某一溫度Tn+T1(例如T1＝3℃)降到Tn-T2(例如T2＝3℃)；4/開啟壓力傳感器3、壓力訊號發(fā)射裝置4和壓力訊號接收裝置7，在視頻記錄儀6上記錄由壓力傳感器測量到的圓環(huán)壁上的壓力變化曲線，并根據(jù)ZL00109778.4中的方法來確定在轉(zhuǎn)動速度ω和溫度T(t)下的高度差h，及待測石油的表觀粘度μT(t)，ω。
最后通過有編輯程序的計算機實時運算，打印出要求的原油動態(tài)流變特性數(shù)據(jù)；如果認為記錄的數(shù)據(jù)可以滿足使用需求，關(guān)閉有關(guān)運行系統(tǒng)；否則另行設(shè)置，重新運行測量方法進行模擬。
實施例3、在熔化點附近(T＝Tr-T3)～(Tr+T4)時石油的流變特性的測量(其中，Tr為熔化點溫度；T3、T4為熔化點溫度減少量和增加量)1/在靜止?fàn)顟B(tài)下，將外徑為R0的圓環(huán)1的注入孔15的下端與圓環(huán)正中間水平線相切，將待測石油從注入孔處裝入，直至注入孔下端平齊處，裝入量為圓環(huán)容積的1/2；2/開啟動力裝置9，使其轉(zhuǎn)動的速度ω為測量所需的數(shù)值V，ω＝V/2πR0，通常V＝V0＝常數(shù)，例如10cm/sec；如果需要，也可以是隨時間變化的速度V＝V(t)；3/開啟溫度訊號接收裝置13、溫度傳感器12及溫度訊號發(fā)射裝置14，測量圓環(huán)1內(nèi)的溫度，并由控制臺11通過計算機系統(tǒng)控制水/油溫控制裝置5或氣溫控制裝置8，使圓環(huán)流動測量裝置10從熔化點Tr(例如10℃)附近的某一溫度Tr-T3(例如T3＝3℃)上升到Tr+T4(例如T4＝3℃)；直至旋轉(zhuǎn)圓環(huán)內(nèi)該物質(zhì)熔化，使該物質(zhì)在圓環(huán)內(nèi)流動起來為止；4/開啟壓力傳感器3、壓力訊號發(fā)射裝置4和壓力訊號接收裝置7，在視頻記錄儀6上記錄由壓力傳感器測量到的圓環(huán)壁上的壓力變化曲線，并根據(jù)ZL00109778.4中的方法來確定在轉(zhuǎn)動速度ω和溫度T(t)下的高度差h，及待測石油的表觀粘度μT(t)，ω。
最后通過有編輯程序的計算機實時運算，打印出要求的原油動態(tài)流變特性數(shù)據(jù)；如果認為記錄的數(shù)據(jù)可以滿足使用需求，關(guān)閉有關(guān)運行系統(tǒng)；否則另行設(shè)置，重新運行測量方法進行模擬。
權(quán)利要求
1.一種用于測量石油流變特性的系統(tǒng)，包括一圓環(huán)流動測量裝置(10)，一動力裝置(9)和一控制臺(11)；所述的圓環(huán)流動測量裝置(10)包括一管狀圓環(huán)(1)，位于圓環(huán)(1)內(nèi)壁上的壓力傳感器(3)，及一與壓力傳感器相連接的壓力訊號發(fā)射裝置(4)，控制臺(11)上設(shè)有一與之對應(yīng)的壓力訊號接收裝置(7)和視頻記錄儀(6)，管狀圓環(huán)1上設(shè)有一注入孔(15)，其特征在于，所述的圓環(huán)流動測量裝置(10)置于一密封箱(2)內(nèi)，圓環(huán)(1)內(nèi)壁上設(shè)有一溫度傳感器(12)，及與溫度傳感器相連接的溫度訊號發(fā)射裝置(14)，控制臺(11)上設(shè)有一與之對應(yīng)的溫度訊號接收裝置(13)，密封箱(2)內(nèi)設(shè)有由控制臺(11)控制的氣溫控制裝置(8)，或是水/油溫控制裝置(5)。
2.如權(quán)利要求1所述的用于測量石油流變特性的系統(tǒng)，其特征在于，所述的氣溫控制裝置(8)為空調(diào)裝置。
3.如權(quán)利要求1所述的用于測量石油流變特性的系統(tǒng)，其特征在于，所述的水/油溫控制裝置(5)為將圓環(huán)流動測量裝置(10)置于水或油浴中的控溫裝置。
4.一種利用權(quán)利要求1所述的用于測量石油流變特性的系統(tǒng)對石油的流變特性進行測量的方法，包括如下步驟1/在靜止?fàn)顟B(tài)下，將外徑為R0的圓環(huán)(1)的注入孔(15)的下端與圓環(huán)正中間水平線相切，將待測石油從注入孔處裝入，直至注入孔下端平齊處，裝入量為圓環(huán)容積的1/2；2/開啟動力裝置(9)，以轉(zhuǎn)動速度ω旋轉(zhuǎn)圓環(huán)(1)；3/開啟溫度訊號接收裝置(13)、溫度傳感器(12)及溫度訊號發(fā)射裝置(14)，測量圓環(huán)(1)內(nèi)的溫度，并由控制臺(11)通過計算機系統(tǒng)控制水/油溫控制裝置(5)或氣溫控制裝置(8)，使圓環(huán)流動測量裝置(10)處于所設(shè)定的溫度T(t)；4/開啟壓力傳感器(3)、壓力訊號發(fā)射裝置(4)和壓力訊號接收裝置(7)，在視頻記錄儀(6)上記錄由壓力傳感器測量到的圓環(huán)壁上的壓力變化曲線，并根據(jù)ZL00109778.4中的方法來確定在轉(zhuǎn)動速度ω和溫度T(t)下的高度差h，及待測石油的表觀粘度μT(t)，ω。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測量石油隨溫度變化時流變特性的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)包括圓環(huán)流動測量裝置，動力裝置和控制臺，其特征在于，所述的圓環(huán)流動測量裝置置于一密封箱內(nèi)，圓環(huán)內(nèi)壁上設(shè)有一溫度傳感器，及與之相連的訊號發(fā)射裝置，控制臺上設(shè)有一與之對應(yīng)的訊號接收裝置，密封箱內(nèi)設(shè)有由控制臺控制的溫度控制裝置。使用該系統(tǒng)對石油的流變特性進行測量的方法包括將待測石油裝入圓環(huán)；以轉(zhuǎn)動速度ω旋轉(zhuǎn)圓環(huán)；控制水/油溫控制裝置或氣溫控制裝置使圓環(huán)流動測量裝置處于所設(shè)定的溫度T(t)；記錄壓力變化曲線，并根據(jù)ZL00109778.4中的方法來確定在轉(zhuǎn)動速度ω和溫度T(t)下的高度差h，及待測石油的表觀粘度μ
文檔編號G01N11/00GK1680799SQ20041003084
公開日2005年10月12日 申請日期2004年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月8日
發(fā)明者錢民全, 張勁軍, 范椿, 張帆, 趙篤鳳, 彭榮蕤, 錢大興, 肖蘭 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所