高溫高壓油水混合流體在線粘度檢測裝置及方法與流程

2023-10-11 06:23:44

本發明涉及流體物性檢測技術領域，具體的是一種高溫高壓油水混合流體在線粘度檢測裝置，還是一種流體在線粘度檢測方法。

背景技術：

油水兩相混合物的流動廣泛應用於石油、化工及其他相關工業中，尤其在石油工業中，油水兩相混合物的流動相當普遍，而且對其流動規律的研究尤其重要。

粘度是衡量液體抑制流動能力的一個重要的物理參數，是液體的重要物理性質和技術指標之一。液體的特性往往與產品的其他特性如顏色、密度、穩定性、固體成分含量和分子量的改變有關係，而檢測這些特性的最方便和靈敏的方法就是在線檢測液體的粘度。在物理化學，流體力學等科學領域中，粘度測量對了解流體性質及研究流動狀態起著重要的作用。隨著國民經濟的不斷提高，粘度的準確測定在許多工業部門和科學研究領域中都具有重要意義，粘度測量的要求日益突出。實際工程和工業生產中，經常需要在線檢測流體的粘度，以保證最佳的過程運行環境與產品質量，從而提高生產效益，特別是在石油化工、醫藥、冶金及食品等行業中。譬如：原主管道道長距離輸送過程中，原油粘度過大不僅影響輸送效率，而且可能會造成原油凝管，發生事故。通過在線測量過程中的液體粘度，可以得到液體流變行為的數據，對於預測產品工藝過程的工藝控制，輸送性以及產品在使用時的操作性有著重要的指導價值。隨著對產品品質控制要求的提高，傳統的實驗室測量或滯後的檢驗已不能滿足要求。

石油的粘度為石油內部某一部分相對於另一部分流動時產生的摩擦阻力的度量。其對於油氣運移、聚集和油氣田開發等有重要影響。因此石油粘度的測量具有重要的意義。目前，普通型粘度計大多採用離線粘度測量方法，如振動法、落球法、旋轉法，待測液體溫度與粘度需要精細的測量，其規律是液體的粘度會隨著溫度的降低而升高，離線法更多的測量流體的靜態粘溫性質；在線粘度測量方法主要是毛細管法，但毛細管普遍不耐高溫高壓，只能測量常溫常壓下流體流動粘度，對於高溫高壓環境下流體流動特徵描述不準確,誤差將不可避免地出現，對工業發展造成阻礙。

技術實現要素：

為了解決現有技術中沒有理想的流體在線粘度檢測裝置的問題，本發明提供了一種高溫高壓油水混合流體在線粘度檢測裝置及方法，該高溫高壓油水混合流體在線粘度檢測裝置及方法填補了在線對油水兩相混合流體高溫高壓下粘度實時測量裝置的空白，可實時測量油水兩相混合物不同比率下的管流粘度，研究不同流體動態混合過程中粘度的變化規律，可研究油水兩相混合流體粘度隨溫度、壓力的變化規律，研究範圍寬，測量溫度可達220℃，測量壓力可達70MPa。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：

一種高溫高壓油水混合流體在線粘度檢測裝置，包括：

循環機構，含有第一高溫高壓容器、第二高溫高壓容器、第一注入泵、高壓換向閥和主管道，第一高溫高壓容器、第二高溫高壓容器和主管道均與高壓換向閥連接，第一注入泵能夠將第一高溫高壓容器內的液體通過高壓換向閥注入至主管道內，第一注入泵能夠將第二高溫高壓容器內的液體通過高壓換向閥注入至主管道內，第一注入泵和高壓換向閥能夠使液體在主管道內循環流動；

控溫機構，能夠控制主管道內流體的溫度；

數據採集和數據處理機構，含有傳感器和控制單元，所述傳感器能夠測量主管道內流體的物理參數並發送至該控制單元，該控制單元能夠對該物理參數進行處理。

一種流體在線粘度檢測方法，該流體在線粘度檢測方法採用了上述的高溫高壓油水混合流體在線粘度檢測裝置，主管道內僅含有單一的油相，該流體在線粘度檢測方法包括以下步驟：

步驟1a、通過所述傳感器測量主管道內流體的物理參數並發送至該控制單元；

步驟2a、該控制單元根據公式一和該物理參數計算出主管道內的流體粘度；

所述公式一為：

在該公式一中，μ為流體粘度，單位為mPa·s；D為被測量管段的管道內徑，單位為m；v為流速，單位為m/s；為被測量管段兩端的單位長度流動壓差，單位為Pa/m；L為被測量管段的長度，單位為m；P為操作壓力，單位為MPa，ρo為油相密度，單位為g/cm3；g為重力加速度，g為9.81N/kg；a、b、c和d為修正係數，a為0.00444，b為-108.35，c為160.39，d為-0.24。

本發明的有益效果是：

1、本發明中高溫高壓油水混合流體在線粘度檢測裝置可用於在實驗室內模擬實際工業生產條件。在室內模擬不同溫度、不同壓力流體流動環境，在線粘度檢測裝置的整個系統設計滿足耐高溫耐高壓的要求。該設計測量範圍寬，可測量單相流、油水多相流以及流動過程中加入添加劑的流體流動粘度。

2、本發明中高溫高壓油水混合流體在線粘度檢測裝置採用物理模擬與數學模型相結合的方式，採用技術成熟、測量精確度高的常規儀表進行現場信號檢測，測量信息精確可靠，滯後時間小；設置的數據採集系統配有相應的分析模型，可實時檢測系統內流體的性質、流動阻力和流體粘度的變化，精確度高，完全滿足原油開採的需要，設備投資少，成本低，安裝維護方便。

3、本發明中高溫高壓油水混合流體在線粘度檢測裝置不止可用於測量油水兩相混合流體在實際管輸的流動粘度，對生產實際提供技術指導與理論支持，還可用於分析管道中油水兩相流體的相態變化及其流動摩阻，對於多相流體力學的學科研究也具有重要的貢獻價值。本實驗裝置及測量方法具有非常大的拓展空間，在石油、化工與其它相關領域中均可應用。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。

圖1是本發明所述高溫高壓油水混合流體在線粘度檢測裝置的整體結構示意圖。

圖2是注入孔的結構示意圖。

圖3是主管道加熱方式的示意圖。

圖4是第一三通和第二三通的第一狀態示意圖。

圖5是第一三通和第二三通的第二狀態示意圖。

圖6是高壓換向閥的結構示意圖。

11、第一高溫高壓容器；12、第二高溫高壓容器；13、第一注入泵；14、高壓換向閥；15、主管道；16、第三高溫高壓容器；17、第二注入泵；

21、電加熱控制器；22、電加熱套；

31、第一壓力傳感器；32、第二壓力傳感器；33、壓差傳感器；34、溫度傳感器；

41、第一三通；42、第二三通；。

51、第一控制閥；52、第二控制閥；53、第三控制閥；54、第四控制閥；55、第五控制閥；56、背壓閥；

61、第一閥門；62、第二閥門；63、第三閥門；64、第四閥門；65、第五閥門；66、第六閥門；67、第七閥門；68、第八閥門；

151、實驗測試段；152、第一輔助實驗段；153、第二輔助實驗段；154、抽真空接口；155、取樣接口。

具體實施方式

需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。下面將參考附圖並結合實施例來詳細說明本發明。

一種高溫高壓油水混合流體在線粘度檢測裝置，包括：

循環機構，含有第一高溫高壓容器11、第二高溫高壓容器12、第一注入泵13、高壓換向閥14和主管道15，循環機構構成密閉迴路，第一高溫高壓容器11、第二高溫高壓容器12和主管道15三者均與高壓換向閥14連接，第一注入泵13能夠將第一高溫高壓容器11內的液體通過高壓換向閥14注入至主管道15內，第一注入泵13能夠將第二高溫高壓容器12內的液體通過高壓換向閥14注入至主管道15內，第一注入泵13和高壓換向閥14配合能夠使液體在主管道15內循環流動，如主管道15內的液體可以順時針或逆時針循環不停的流動；

控溫機構，能夠控制主管道15內流體的溫度；

數據採集和數據處理機構，含有傳感器和控制單元，所述傳感器能夠測量主管道15內流體的物理參數並發送至該控制單元，該控制單元能夠對該物理參數進行處理，如圖1所示。

在本實施例中，高壓換向閥14含有四個高壓氣動閥，所述四個高壓氣動閥分別為第一高壓氣動閥141、第二高壓氣動閥142、第三高壓氣動閥143和第四高壓氣動閥144，第一高溫高壓容器11的入口端和第二高溫高壓容器12的入口端均與第一注入泵13連接，第一高溫高壓容器11的出口端與第一高壓氣動閥141的一端和第三高壓氣動閥143的一端同時連接，第二高溫高壓容器12的出口端與第二高壓氣動閥142的一端和第四高壓氣動閥144的一端同時連接，主管道15的入口端與第三高壓氣動閥143的另一端和第四高壓氣動閥144的另一端同時連接，主管道15的出口端與第一高壓氣動閥141的另一端和第二高壓氣動閥142的另一端同時連接，如圖6所示。其中，所述一端可以為出口端所述另一端為入口端，或者所述一端可以為入口端所述另一端為出口端。第一高溫高壓容器11和第二高溫高壓容器12的材質均為不鏽鋼，第一高溫高壓容器11和第二高溫高壓容器12的額定耐壓為100MPa，第一注入泵13具有注入和調節主管道15內液體壓力的功能。主管道15為不鏽鋼管，主管道15內的測量溫度可達220℃，測量壓力可達70MPa。

當液體從第一高溫高壓容器11中流出，向第二高溫高壓容器12中流入時，高壓換向閥14的第二高壓氣動閥142和第三高壓氣動閥143自動打開，同時第一高壓氣動閥141和第四高壓氣動閥144自動關閉；當液體從第二高溫高壓容器12中流出，向第一高溫高壓容器11中流入時，高壓換向閥14的第一高壓氣動閥141和第四高壓氣動閥144自動打開，同時第二高壓氣動閥142和第三高壓氣動閥143自動關閉，從而實現液體在主管道15內始終保持順時針方向流動。液體在主管道15內循環流動的實現方式為：液體在主管道15內沿順時針方向從第一高溫高壓容器11中流出進入第二高溫高壓容器12內，或液體在主管道15內沿逆時針方向從第二高溫高壓容器12中流出進入第一高溫高壓容器11內。

在本實施例中，主管道15含有實驗測試段151，實驗測試段151並聯有第一輔助實驗段152和第二輔助實驗段153，第二輔助實驗段153的內徑大於第一輔助實驗段152的內徑，第一輔助實驗段152的內徑大於實驗測試段151的內徑，所述數據採集和數據處理機構包括與實驗測試段151連接的溫度傳感器、壓力傳感器和壓差傳感器。具體的，主管道15呈U形，實驗測試段151為平直的一段，通過控制閥門，液體可以從實驗測試段151、第一輔助實驗段152和第二輔助實驗段153中任意一根、兩根或三根中流過。所述傳感器為第一壓力傳感器31、第二壓力傳感器32、壓差傳感器33和溫度傳感器34，如圖1所示。

在本實施例中，主管道15呈U形，主管道15的入口端通過第一三通41與高壓換向閥14的第一出口端連接，主管道15的出口端通過第二三通42與高壓換向閥14的第二出口端連接，第一三通41和第二三通42均含有朝向上方的接口以及朝向水平方向的接口，如圖4和圖5所示。主管道15的入口端與第一三通41朝向上方的接口連接且主管道15的出口端與第二三通42朝向上方的接口連接，此時主管道15呈直立狀態，可以測量流體在豎直狀態時的粘度。或者，主管道15的入口端與第一三通41朝向水平方向的接口連接且主管道15的出口端與第二三通42朝向水平方向的接口連接，此時主管道15呈水平狀態，可以測量流體在水平狀態時的粘度。

在本實施例中，所述控溫機構包括電加熱控制器21和電加熱套22，電加熱控制器21能夠使電加熱套22發熱，電加熱控制器21能夠控制主管道15內液體的溫度，電加熱套22纏繞於主管道15外，該高溫高壓油水混合流體在線粘度檢測裝置還包括高低溫恆溫箱，第一高溫高壓容器11、第二高溫高壓容器12和高壓換向閥14均設置於高低溫恆溫箱內，如圖3所示。

在本實施例中，主管道15還連接有抽真空接口154、取樣接口155和第三高溫高壓容器16，第三高溫高壓容器16連接有用於將第三高溫高壓容器16內的液體注入至主管道15內的第二注入泵17，取樣接口155上設有背壓閥56。第一高溫高壓容器11、第二高溫高壓容器12和第三高溫高壓容器16均為液壓缸式結構，第三高溫高壓容器16通過管線與主管道15連接的方式如圖2所示。第一高溫高壓容器11內可以裝入油、水或油水混合物，第二高溫高壓容器12內可以裝入油、水或油水混合物。

下面介紹該高溫高壓油水混合流體在線粘度檢測裝置的使用方法。

實施例1

前期準備：

在第一高溫高壓容器11中配製所需氣油比的油水兩相混合流體樣品，關閉第一控制閥51、第二控制閥52、第三控制閥53和第二閥門62，其餘控制閥和閥門全部打開，通過抽真空接口154對系統抽真空。

抽真空完成後，設置背壓閥56壓力為測試壓力，打開第一控制閥51和第二控制閥52，關閉閥門第一閥門61、第五閥門65、第六閥門66、第七閥門67、第八閥門68，通過第一注入泵13將第一高溫高壓容器11中的樣品打入整個井筒流動模型系統，並持續增壓，直至整個系統壓力達到所需模擬的實際生產壓力，同時打開電加熱控溫器，設定所需模擬實際生產條件下的溫度，穩定一段時間，直至系統中的溫度傳感器顯示達到設定溫度。

根據所要模擬的實際生產條件下流速大小，對第一注入泵13設置一定流速，使油水兩相混合流體樣品沿主管道15做順時針或逆時針的循環流動，循環穩定一定時間後，讀取壓差傳感器與壓力傳感器的讀數(即第一壓力傳感器31、第二壓力傳感器32和壓差傳感器33的讀數)。若流體粘度較大，流經測量管段的壓差大於壓差傳感器量程，可關閉第四控制閥54和第五控制閥55 5，通過測量段入口端和出口端的壓力傳感器計算壓差，並通過數據處理系統自動計算得到當前流體粘度。

流體循環期間，若需取樣測量，可將背壓閥設置壓力略微降低(降低幅度不超過0.5MPa)，打開第二閥門62進行取樣。

流體循環期間，如需改變管徑，則可關閉第三閥門63和第四閥門64，打開第五閥門65、第六閥門66或第七閥門67、第八閥門68進行測量。

實施例2

當測量實際生產過程中向流體中加入添加劑(第三高溫高壓容器16內的)後油水兩相混合流體粘度時，打開第二注入泵17，設置一定流速(此流速必須精確控制)，將添加劑通過注入孔注入主管道15，使添加劑在主管道15中與流混合，隨時觀察壓差傳感器與壓力傳感器的讀數。高溫高壓條件下，可先採用循環注入泵兼調壓泵將主流體注入整個循環機構，達到所需壓力後，設置電加熱套22的加熱溫度，運行循環機構，使主流體在循環管道中循環，流動過程中，通過第二注入泵17將添加劑在設置壓力下注入主管道15中與主流體混合，通過數據採集和數據處理機構實時觀測流體粘度變化。

實施例3

對兩相油水兩相混合流體(例如油和水)粘度進行測量時，將兩種流體分別置於第一高溫高壓容器11和第二高溫高壓容器12中，打開第一控制閥51、第二控制閥52和第三控制閥53，同時啟動第一注入泵13和第二注入泵17，通過控制第一注入泵13和第二注入泵17的流速，可控制兩種流體在主管道中相含率，相含率為第一注入泵13和第二注入泵17的流速比，通過設置第一注入泵13的流速，可控制油水兩相混合流體總流速，通過電加熱控制器21控制整個系統的溫度，第一注入泵13和第二注入泵17可恆速運行，使體系壓力達到測量壓力後，讀取當前油水兩相混合流體(油和水)的粘度數值。

實施例4

若由測量垂直管流流體粘度改為測量垂水平流流體粘度，在管道入口的三通處，將測量直管道的安裝方向由垂直方向改為水平方向，並將三通的放空口用絲堵封住即可，即將圖1中的主管道15由直立狀態改為水平狀態。其餘測量粘度操作步驟與實施例1、2、3相似，此處不再一一贅述。

下面介紹一種流體在線粘度檢測方法，該流體在線粘度檢測方法採用了上述的高溫高壓油水混合流體在線粘度檢測裝置，主管道15內僅含有單一的油相，該流體在線粘度檢測方法包括以下步驟：

步驟1a、通過所述傳感器測量主管道15內流體的物理參數並發送至該控制單元；

步驟2a、該控制單元根據公式一和該物理參數計算出主管道15內的流體粘度；

所述公式一為：

在該公式一中，μ為流體粘度，單位為mPa·s；D為被測量管段的管道內徑(多條管道時為內徑和)，單位為m；v為流速，流速可以由第一注入泵13的注入速度獲得，m/s；為被測量管段兩端的單位長度流動壓差，單位為Pa/m；L為被測量管段的長度，單位為m；P為操作壓力(為第一注入泵13的輸出壓力)，MPa，ρo為油相密度，單位為g/cm3；g為重力加速度，g為9.81N/kg；a、b、c和d為修正係數，a為0.00444，b為-108.35，c為160.39，d為-0.24。

下面介紹一種流體在線粘度檢測方法，該流體在線粘度檢測方法採用了上述的高溫高壓油水混合流體在線粘度檢測裝置，主管道15內含有油水混合物，主管道15的入口含水率大於0％，主管道15的入口含水率小於且等於30％，主管道15的入口含水率為主管道15內含有油水混合物中水的體積分數，該流體在線粘度檢測方法包括以下步驟：

步驟1b、通過所述傳感器測量主管道15內流體的物理參數並發送至該控制單元；

步驟2b、該控制單元根據公式二和該物理參數計算出主管道15內的流體粘度；

所述公式二為：

在該公式二中，

在該公式二中，μ為流體粘度，單位為mPa·s；D為被測量管段的管道內徑，單位為m；v為流速，單位為m/s；為被測量管段兩端的單位長度流動壓差，單位為Pa/m；L為被測量管段的長度，單位為m；P為操作壓力，單位為MPa，ρo為油相密度，單位為g/cm3；g為重力加速度，g為9.81N/kg；a，b，c，d為修正係數，a為1.22×10-5，b為-34322.58，c為100655.05，d為-3.65；ρm為油水混合物的密度，單位為g/cm3；ρl為水相密度，單位為g/cm3；為入口含水率。

下面介紹一種流體在線粘度檢測方法，該流體在線粘度檢測方法採用了上述的高溫高壓油水混合流體在線粘度檢測裝置，主管道15內含有油水混合物，主管道15的入口含水率大於30％，主管道15的入口含水率小於且等於50％，該流體在線粘度檢測方法包括以下步驟：

步驟1c、通過所述傳感器測量主管道15內流體的物理參數並發送至該控制單元；

步驟2c、該控制單元根據公式三和該物理參數計算出主管道15內的流體粘度；

所述公式三為：

在該公式三中，

在該公式三中，μ為流體粘度，單位為mPa·s；D為被測量管段的管道內徑，單位為m；v為流速，單位為m/s；為被測量管段兩端的單位長度流動壓差，單位為Pa/m；L為被測量管段的長度，單位為m；P為操作壓力，單位為MPa，ρo為油相密度，單位為g/cm3；g為重力加速度，g為9.81N/kg；a，b，c，d為修正係數，a為0.05，b為-1809.42，c為-1.62，d為-0.5416；ρm為油水混合物的密度，單位為g/cm3；ρl為水相密度，單位為g/cm3；為入口含水率。

下面介紹一種流體在線粘度檢測方法，該流體在線粘度檢測方法採用了上述的高溫高壓油水混合流體在線粘度檢測裝置，主管道15內含有油水混合物，主管道15的入口含水率大於50％，主管道15的入口含水率小於且等於80％，該流體在線粘度檢測方法包括以下步驟：

步驟1d、通過所述傳感器測量主管道15內流體的物理參數並發送至該控制單元；

步驟2d、該控制單元根據公式四和該物理參數計算出主管道15內的流體粘度；

所述公式四為：

在該公式四中，

在該公式四中，μ為流體粘度，單位為mPa·s；D為被測量管段的管道內徑，單位為m；v為流速，m/s；為被測量管段兩端的單位長度流動壓差，單位為Pa/m；L為被測量管段的長度，單位為m；P為操作壓力，單位為MPa，ρo為油相密度，單位為g/cm3；g為重力加速度，g為9.81N/kg；a，b，c，d為修正係數，a為1.48×10-4，b為-440.03，c為-145.99，d為-1.09；ρm為油水混合物的密度，單位為g/cm3；ρl為水相密度，單位為g/cm3；為入口含水率。

所述控制單元可以計算機，將公式一至公式四寫入該計算機中，所述傳感器均與該計算機連接，當實時採集的溫度、壓力、壓差等數據信息進入計算機後，計算機可以依據公式模型直接計算出當前油水混合流體的粘度值。

以上所述，僅為本發明的具體實施例，不能以其限定發明實施的範圍，所以其等同組件的置換，或依本發明專利保護範圍所作的等同變化與修飾，都應仍屬於本專利涵蓋的範疇。另外，本發明中的技術特徵與技術特徵之間、技術特徵與技術方案之間、技術方案與技術方案之間均可以自由組合使用。