一种高含水溶气原油粘壁温度测试装置的制作方法

1.本发明是一种实验模拟测试装置，具体涉及一种高含水溶气原油粘壁温度测试装置。


背景技术：

2.油田开发过程按照含水率变化分为四个阶段，分别为低含水阶段(含水率小于等于20％)、中含水阶段(含水率大于20％小于等于60％)、高含水阶段(含水率大于60％小于等于90％)和特高含水阶段(含水率大于90％)。目前，我国各大油田相继进入高含水开发后期，采出液含水率高达85％以上。众所周知，我国所产原油绝大多数为“三高”原油，为改善原油流动特性，传统上一般采用加热或伴热集输工艺。由于水的比热容约为原油的2倍，随着含水率的升高，集输系统的加热能耗也随之迅速增长。高含水期若继续采用加热集输工艺，则其输出的热量绝大部分将被用来加热采出水，造成巨大的能源浪费。另一方面，含水率的升高使原油的低温流动特性得到改善，即使集输温度低于原油凝点，在采出水的冲刷带动下，仍然可以实现安全回油，从而为不加热集油的开展创造了有利条件。高含水原油在输送过程中，随着集输温度的降低，当集输温度低于原油粘壁温度，采出水对原油的剪切作用将不足以克服原油与管道内壁界面之间的粘附作用，就会有大量原油粘附在管道内壁，使管道流通面积减小，原油流动阻力增大，集输成本增加，严重时甚至会造成管道堵塞，影响油田正常生产运行。原油粘壁温度是随着集油温度的降低，管壁凝油质量开始出现快速增加导致管线压力迅速上升时对应的温度。因此，为了在节省集油成本的同时保证集输系统平稳运行，可通过测定高含水原油粘壁温度以制定集油管道安全回油的温度边界条件。
3.为了实现降本增效、建设低碳油田，不加热集输工艺亟待在各大油田推广。目前油田现场通常采取试降温的方式，对于集输温度能降多少没有概念，缺乏指导，如果降的太低容易使井口回压升高，造成堵管事故。中国实用新型专利cn208091955u公开了一种测量集输管路中油水两相粘壁温度的实验装置，该装置安装在现场的实际生产管路上，油水两相在实验管路中的流动形态与现场实际较为吻合，使用该装置测定的粘壁温度对实际生产具有一定的指导意义。但是该专利的实验结果仅适用于油水两相，而实际油田系统开发产物中往往伴有大量的伴生气，集输管路中流动的原油多为溶气原油。因此，为了研究溶气对粘壁的影响，在保证安全的前提下最大限度的降低集油温度，很有必要研究高含水溶气原油的粘壁规律，制定高含水溶气原油粘壁温度测试方法，为油田不加热集输的开展提供依据。
4.由以上背景调研可以看出，目前还没有涉足高含水溶气原油粘壁规律的室内测试装置。因此，亟需开发设计一套精准、易操作的小型实验装置，以及与之配套使用的方便快捷的实验方法，以有效地测量高含水溶气原油粘壁温度。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种高含水溶气原油粘壁温度测试装置，能够实现在不同溶气压力、含水率、剪切条件和温度条件下对原油粘壁过程的变化情
况进行测试，从而精准确定高含水溶气原油的粘壁温度。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种高含水溶气原油粘壁温度测试装置，其特征在于，包括反应釜、搅拌系统、监测系统、控温系统、增压系统和影像采集系统，所述反应釜用于置入与测试现场具有相同含水率的高含水溶气原油来模拟实际管线，所述控温系统和增压系统分别通过对反应釜控温和增压来模拟管线运行工况，所述搅拌系统具有螺带螺杆式搅拌结构，通过将所述螺带螺杆式搅拌结构设置在反应釜内搅拌来模拟管流冲刷剪切过程，所述监测系统采集和监测反应釜内压力、温度及壁面凝油应力，在搅拌系统的搅拌过程结束后通过所述影像采集系统对原油粘壁导致的管内径变化情况进行影像采集，从而确定高含水溶气原油的粘壁温度。
8.优选地，所述反应釜的主体为304不锈钢的无缝水套管，反应釜两端以法兰形式密封，法兰与水套管之间设置o型橡胶垫片密封；反应釜上侧设有加液入口，配合合叶采用向外侧拉开形式开启入口阀门，关闭后以螺栓形式固定，固定方向为水套管径向方向，反应釜下侧设有一排液管出口，在排液管端点处设有一球阀。
9.优选地，所述搅拌系统包括电动搅拌器、螺带螺杆式搅拌结构和位移驱动器，所述电动搅拌器沿反应釜轴向放置并固定于位移驱动器上，所述位移驱动器采用电感式位移传感器配合移动槽内滑块控制电动搅拌器位置；所述螺带螺杆式搅拌结构包括螺带桨叶、搅拌杆、螺杆桨叶和径向固定杆，螺带桨叶以轴向视角为同心圆形式在径向固定杆端点环绕，螺杆桨叶以两端径向固定杆为起止点并以轴向视角为同心圆形式在搅拌杆上环绕，搅拌杆的无桨叶端经过反应釜入口端法兰机械密封连接后置入电动搅拌器内固定，并使得螺带螺杆式搅拌结构轴线与反应釜轴线重合。
10.优选地，所述搅拌系统的电动搅拌器沿反应釜轴向放置于位移驱动器的移动槽滑块上并与其固定，由转速调节器进行转速调节，转速范围为0～1000r/min；所述螺带螺杆式搅拌结构采用304不锈钢材质，螺带桨叶设置为两条，螺杆桨叶在搅拌杆上环绕10～15圈，搅拌杆的无桨叶端经过反应釜入口端法兰机械密封连接后置入电动搅拌器的夹持器内固定；所述位移驱动器包括支座、传感器及止滑块，所述传感器采用电感式位移传感器配合移动槽内滑块控制电动搅拌器位置，所述止滑块为一斜面直角三角形金属块，配合移动槽内滑块利用自锁结构固定电动搅拌器位置。
11.优选地，所述监测系统包括数据采集模块和控制箱，所述数据采集模块包括压力传感器、温度传感器和应力测试片，压力传感器的探头置于反应釜入口端法兰内侧并通过压力传感器数据连接至控制箱；温度传感器的探头置于反应釜入口端法兰内侧并通过温度传感器数据线连接至控制箱；应力测试片置于反应釜内距入口端相同轴向距离的圆周上，以管横截面最低点逆时针布置若干个，并均通过应力测试片数据线并联后连接至控制箱；所述控制箱包括显示面板和控制开关，所述显示面板用于显示反应釜内实时压力、温度及测试片应力变化。
12.优选地，所述控温系统采用sdc-6型控温水浴，经过pvc软管连接至反应釜水套夹层，实现对反应釜内温度的控制。
13.优选地，所述增压系统采用供压最高达5mpa压力的高压气瓶，高压气体管线经出口阀连接至反应釜内，管线出气口位于入口端法兰内侧。
14.优选地，所述影像采集系统包括光源、图像采集设备和显示设备，在搅拌系统的搅
拌过程结束后开启反应釜两端法兰，通过设置于反应釜入口端的光源照射反应釜的无缝水套管内径，由设置于反应釜出口端的图像采集设备采集原油粘壁导致的管内径变化情况，并通过显示设备实时显示。
15.优选地，所述光源采用环形灯，所述图像采集设备为电荷耦合器模块，所述环形灯固定于位移驱动器的滑块上，所述电荷耦合器件模块包括一电荷耦合器和一凸透镜，电荷耦合器像面中心点位置与反应釜轴线相重合；环形灯照射光线经凸透镜折射成像于电荷耦合器像面上，将光信号转为电信号，由数据传输线将电信号传送至显示设备上实时显示图像变化。
16.本发明的有益效果为：
17.本发明提供的高含水溶气原油粘壁温度测试装置，其特征在于，包括反应釜、搅拌系统、监测系统、控温系统、增压系统和影像采集系统，通过反应釜能够模拟实际管线，配合控温系统和增压系统模拟管线运行情况，通过搅拌系统的螺带螺杆式搅拌结构进行搅拌来模拟管流冲刷剪切过程，并由监测系统能够采集和监测反应釜内压力、温度及壁面凝油应力，在搅拌系统的搅拌过程结束后由影像采集系统对原油粘壁导致的管内径变化情况进行影像采集，从而精准确定高含水溶气原油的粘壁温度，该装置能够针对不同含水率、不同溶气压力、不同管流剪切条件下的管线进行流动模拟测试，同时配备的监测系统能够实现实时监测反应釜内温度、压力及壁面应力变化，把握不同时刻工况发展；配备的影像采集系统能够对不同条件下的管壁面凝油情况进行影像采集，解决了集输管线无法观测内部工况的问题又避免了采用透明玻璃管道导致的管线材质不同引起的粘附性质变化。该测试装置不受时间、空间限制，测试过程方便快捷，能够真实反映管线工况、可靠性强，为油田不加热集输的开展提供依据。
18.优选设置反应釜主体为一无缝水套管，材质为304不锈钢；反应釜两端为法兰密封，可进一步采用螺栓配合o型橡胶垫片进行固定，确保了密封性；反应釜上侧设有一加液入口，由此加入测试所需油样和水样，配合合叶采用向外侧拉开形式开启入口阀门，关闭后以螺栓形式固定，装样过程方便快捷，同时确保了密封性；反应釜下侧设有一变径排液管，端点处设有一球阀，试样排出方便快捷，同时确保了密封性；更进一步地，反应釜外部下侧还可以设有两个橡胶支座，能够减缓搅拌震动影响，降低噪音。
19.优选设置搅拌系统包括电动搅拌器、螺带螺杆式搅拌结构和位移驱动器。电动搅拌器沿水套炉轴向放置于位移驱动器移动槽上并与滑块相固定，由电动搅拌器转速范围为0～1000r/min，可以模拟不同剪切条件下的流动状况。螺带螺杆式搅拌结构材质为304不锈钢，搅拌杆无桨叶端经过入口端法兰机械密封连接后置入电动搅拌器内固定，确保螺带螺杆式搅拌结构轴线与反应釜轴线重合；螺带部分桨叶能够提供动力，实现壁面处试样沿轴向流动；螺杆部分桨叶能够实现中心处试样沿轴向返回，确保试样反复流动又不对已经形成的壁面凝油造成破坏。位移驱动器优选包括支座、传感器及止滑块，传感器采用电感式位移传感器配合移动槽滑块精准控制电动搅拌器位置；止滑块为一斜面直角三角形金属块能够配合移动槽内滑块利用自锁原理固定电动搅拌器位置。
20.优选设置监测系统包括数据采集模块和控制箱。数据采集模块有压力传感器、温度传感器和应力测试片，压力传感器探头和温度传感器探头置于入口端法兰内侧，数据传输线经探头连接至控制箱；应力测试片可设置若干片，进一步优选为共3个，置于反应釜内
距入口端相同轴向距离的圆周上，以管横截面最低点逆时针方向，比如，分别位于6点钟、3点钟和12点钟方向，可以实现对管内不同层位的凝油粘附力实时监控，数据传输线经探头并联后连接至控制箱。探头均采用螺纹密封形式置入釜内并由粘合剂粘接在釜内壁面，确保了密封性及牢固性。控制箱包括示面板及控制开关，显示面板比如可以是三块led显示面板分别显示反应釜内实时压力、温度及测试片应力变化，使得显示直观明确。
21.优选设置控温系统为一sdc-6型恒温水浴，经过pvc软管连接至反应釜水套夹层(或称为是水套进出口，水套接头)，可以实现对反应釜内温度的精准控制。
22.优选设置增压系统为一高压气瓶，高压气体管线经出口阀连接至反应釜内，能够提供最高5mpa压力，确保足够的压力和气源；同时设有一单向止回阀能够实现压力微调。
23.优选设置影像采集系统包括光源、图像采集设备和显示设备，进一步优选包括环形灯、电荷耦合器件模块和显示设备。将环形灯支座固定于位移驱动器的滑块上，可以实现光源位置的精准移动；电荷耦合器模块包括电荷耦合器、凸透镜和支座，该模块固定在反应釜出口端，电荷耦合器像面中心点位置与反应釜轴线相重合；环形灯照射光线经凸透镜折射成像于电荷耦合器像面上，将光信号转为电信号，由数据传输线将电信号传送至显示设备上实时显示图像变化，同时能够对图像进行截取、对比处理，方便快捷。
附图说明
24.图1为本发明高含水溶气原油粘壁温度测试装置的结构框图。
25.图2为本发明高含水溶气原油粘壁温度测试装置优选结构示意图。
26.图中各标号列示如下：
27.1—反应釜；2—法兰；3—o型橡胶垫片；4—m6.0型螺栓；5—排液管；6—排液管；7—球阀；8—橡胶支座；9—螺带桨叶；10—径向固定杆；11—螺杆桨叶；12—搅拌杆；13—入口固定螺栓；14—入口阀门；15—反应釜加液入口；16—应力测试片；17—温度传感器数据线；18—压力传感器数据线；19—高压气体进气口；20—应力测试片数据线；21—高压气体管线；22—温度传感器；23—压力传感器；24—温度显示屏；25—压力显示屏；26—应力显示屏；27—控制箱开关；28—控制箱；29—pvc软管；30—控温水浴；31—高压气瓶；32—电动搅拌器；33—电动搅拌器开关；34—转速显示屏；35—橡胶支座；36—移动槽滑块；37—止滑块；38—位移驱动器；39—环形灯；40—电荷耦合器；41—凸透镜；42—支座；43—数据传输线；44—显示设备。
具体实施方式
28.为了更清楚的理解该发明的内容，将结合附图和实施例详细说明。
29.本发明涉及一种高含水溶气原油粘壁温度测试装置，如图1所示的结构框图，包括反应釜、搅拌系统、监测系统、控温系统、增压系统和影像采集系统，其中，反应釜用于置入与测试现场具有相同含水率的高含水溶气原油来模拟实际管线，控温系统和增压系统分别通过对反应釜控温和增压来模拟管线运行工况，搅拌系统具有螺带螺杆式搅拌结构，通过将该螺带螺杆式搅拌结构设置在反应釜内搅拌来模拟管流冲刷剪切过程，所述监测系统采集和监测反应釜内压力、温度及壁面凝油应力，在搅拌系统的搅拌过程结束后通过影像采集系统对原油粘壁导致的管内径变化情况进行影像采集，从而确定高含水溶气原油的粘壁
温度。该装置能够实现对不同含水率、不同溶气压力和不同流动状态下管输情况的模拟，通过搅拌测试得到不同集输温度条件下管壁面凝油情况，从而判定集输温度的边界，当集输温度高于该温度时能够确保集输管线的安全运行。整体而言，该装置具有科学性、可操作性及实用性强的优点，具有广阔的应用前景。
30.以下对本发明高含水溶气原油粘壁温度测试装置的各组件进行详细说明，如图2所示，图2为本发明高含水溶气原油粘壁温度测试装置优选结构示意图。其中，包括一反应釜1，该反应釜1主体优选为一外径为170mm、内径为120mm、壁厚为3mm、轴向长度为400mm的无缝水套管，材质为304不锈钢确保耐腐蚀性。反应釜1两端用法兰2密封，法兰厚度为15mm，四枚m6.0型螺栓4相互间隔90
°
排列，中心位置距离法兰2边缘为12mm，法兰2与反应釜1中间以o型橡胶垫片3密封，能够确保稳定及气密性。反应釜加液入口15的内径为50mm，采用的是切割后焊接的形式，上面焊接有一入口阀门14，一侧焊接有合叶进行开关并且由入口固定螺栓13进行密封固定，能够确保加液过程的便捷性和实验过程的气密性。反应釜1下侧同样采用切割后焊接的形式外接排液管5和排液管6，排液管5内径为50mm，壁厚为3mm，轴向长度为30mm，排液管6内径为20mm，壁厚为3mm，轴向长度为150mm，排液管6端点处焊接有一球阀7。反应釜1外部下侧由粘合剂粘接有两个橡胶支座8，长度为50mm，宽度为50mm，高度为30mm。
31.具体地，搅拌系统包括电动搅拌器32、螺带螺杆式搅拌结构和位移驱动器38，螺带螺杆式搅拌结构包括螺带桨叶9、搅拌杆12、螺杆桨叶11和径向固定杆10。位移驱动器38采用电感式位移传感器进行控制，设有一小型马达及开关。电动搅拌器32沿反应釜1轴向放置于位移驱动器38的移动槽滑块36上，两者通过插接进行固定，同时将止滑块37固定于电动搅拌器32的后端确保在轴向上的稳定。开启电动搅拌器开关33并顺时针旋转，可以在转速显示器34上显示搅拌桨转速，转速范围为0～1000r/min。螺带螺杆式搅拌结构各部件之间采用点焊的方式连接，搅拌杆12直径为12mm，长度为600mm；三个径向固定杆10直径12mm，长度为80mm，间隔170mm；螺带桨叶9宽度为10mm，以轴向视角为同心圆形式在径向固定杆端点环绕，共两条；螺杆桨叶11宽度为10mm，以两端径向固定杆为起止点，以轴向视角为同心圆形式在搅拌杆上环绕，优选共12圈。搅拌杆12的无桨叶端经过入口端法兰2，采用机械密封的方式连接后置入电动搅拌器32的夹持器内固定，确保螺带螺杆式搅拌结构轴线有水套管轴线重合。位移驱动器38主要由支座、传感器及止滑块组成，支座为两个为长50mm、宽50mm、高60mm的橡胶垫；传感器采用电感式位移传感器配合移动槽滑块36精准控制电动搅拌器32位置；止滑块37为一斜面直角三角形金属块，高25mm，配合移动槽滑块36利用自锁结构固定电动搅拌器32位置。
32.监测系统包括数据采集模块和控制箱28，数据采集模块包括了温度传感器22、压力传感器23和应力测试片16，压力传感器23探头采用螺纹连接的形式置于入口端法兰2内侧，采用粘合剂粘接的形式固定，压力传感器数据线18经探头连接至控制箱28；温度传感器22探头采用螺纹连接的形式置于入口端法兰2内侧，温度传感器数据线17经探头连接至控制箱28；应力测试片16共3个，采用螺纹连接的形式置于反应釜1内距入口端法兰2相同轴向距离的圆周上，采用粘合剂粘接的形式固定，以管横截面最低点逆时针布置，分别位于6点钟、3点钟和12点钟方向，应力测试片数据线20经在反应釜1外部并联后连接至控制箱28。开启控制箱开关27，由温度显示屏24、压力显示屏25和应力显示屏26实时观察反应釜1内的工
况变化。
33.控温系统中的控温水浴30型号为sdc-6，水浴槽内加入去离子水，由触摸屏按键调节水浴温度，经过pvc软管29连接至反应釜1水套进出口，实现对反应釜1内温度的精准控制。
34.增压系统中的高压气瓶31能够提供最高5mpa压力，同时高压气瓶31上设有单向止回阀可以对压力进行微调。高压气体管线21经单向止回阀连接至反应釜1内，高压气体进气口19采用的是螺纹连接方式置于入口端法兰2内侧。
35.该实施例的影像采集系统包括环形灯39、电荷耦合器件模块和显示器44，电荷耦合器模块又主要由凸透镜41和电荷耦合器40组成。影像采集前，需要将反应釜1内试样在搅拌条件下自流排出，同时将法兰2及电动搅拌器移除。与电动搅拌器32固定方式相同，将环形灯的支座42采用插接的形式与位移驱动器38的移动槽滑块36固定。电荷耦合器模块放置于反应釜1出口端，确保电荷耦合器40中心点位置与反应釜1轴线相重合；与相机成像原理相同，环形灯39照射光线经凸透镜41折射成像在电荷耦合器40上，将光信号转为电信号，由数据传输线43将电信号传送至电脑，在显示器44上实时显示图像变化，即得到不同工况条件下的管径变化情况。
36.本发明高含水溶气原油粘壁温度测试装置，通过反应釜、搅拌系统、控温系统和增压系统模拟原油集输管线流动状态，以监测系统和影像采集系统反应凝油与管壁作用力变化及管径变化情况，该装置在工作时可具体执行如下步骤：
37.s1、试样准备：测试现场原油实际乳化含水率，将现场所取原油进行脱水处理和热处理，并制备相同乳化含水率的原油乳状液；
38.s2、将制备完成的原油乳状液和去离子水样分别放入密闭磨砂瓶内并置于控温水浴30内备用；
39.s3、将反应釜1两侧法兰2用螺栓4固定，反应釜1下侧排液管6出口球阀7确认关闭；
40.s4、开启控温系统的sdc-6型控温水浴30并设定初始温度，同一组实验设定相同初始装样温度；
41.s5、开启监测系统的控制箱28，观察温度显示屏24和压力显示屏25示数变化；
42.s6、待控温水浴30温度达到设定值，将备用的乳状液和水按比例由反应釜加液入口15加入后关闭入口阀门14，油水总体积为1.5l～4.5l，具体油水体积量按照实际管线流动条件确定；
43.s7、将电动搅拌器32通过反应釜1入口端法兰2与螺带螺杆式搅拌结构连接、密封固定，启动位移驱动器38调节电动搅拌器轴向位置，使螺带螺杆式搅拌结构处于反应釜1的中心位置，两端径向固定杆10至两侧法兰2距离相等，安装止滑块37固定电动搅拌器32位置；
44.s8、根据管线实际流动状态计算壁面剪切力，按照剪切条件保持一致的原则设定螺带螺杆式搅拌结构转速；
45.s9、开启增压系统高压气瓶31阀门及反应釜入口阀门14，对反应釜1内空气进行置换，置换时间为2分钟，置换完毕后关闭反应釜入口阀门14，调节反应釜1内压力值达到实验设定值；
46.s10、启动电动搅拌器32，降低控温水浴30温度至本次实验设定值，按照设定转速
自降温恒定后再搅拌10分钟，同时记录控制箱28上应力显示屏25实时数据；
47.s11、搅拌至10分钟时，松动反应釜入口固定螺栓13，逐渐释放釜内压力至控制箱压力显示屏25示数为0；
48.s12、开启反应釜1下侧球阀7，将油水试样接入烧杯内；
49.s13、关闭电动搅拌器32并移开，开启反应釜1两侧法兰2；
50.s14、将环形灯支座42安装在位移驱动器38的移动槽滑块36上并固定，电荷耦合器模块放置于反应釜1出口端，电荷耦合器40中心点位置与反应釜1轴线相重合，经数据传输线43在显示器44显示图像并保存；
51.s15、继续降低实验设定温度，重复步骤s3至s14至管线横截面图像开始出现显著变小，此时即为该原油油样在此综合含水率下的粘壁温度；
52.s16、清理反应釜1，实验结束。
53.需要说明的是，上述步骤仅为本发明高含水溶气原油粘壁温度测试装置在工作时的优选实施例，而并非唯一实施例，在每次测试时可以改变压力、温度、剪切力(应力)中的一种条件即可。在每次测试的搅拌结束后，将电动搅拌器关闭并移开，开启反应釜两侧法兰，由环形灯经反应釜入口端照射，在反应釜出口端电荷耦合器处成像，原油粘壁导致照射成像时形成阴影，该阴影对应原油粘壁导致的管内径变化情况，并通过显示设备实时显示，可根据成像阴影计算即可获取管壁面凝油层分布情况。
54.以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依照本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。