专利名称：一种用于测量石油流变特性的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量液体流变特性的系统和方法，特别是涉及一种用于测量石油随温度变化时流变特性的系统和方法。
背景技术：
我国的原油油田分布很广，油田、炼油厂和使用油的地方往往相距甚远。这就要求通过各种方式加以输运，我国每年通过管线输运的原油约1.2亿吨，其中80～90％是含蜡原油，它具有凝点高、粘度高，在常温下为非牛顿流体，流动性差等缺点。为了使含蜡原油具有良好的流动性，我国目前仍然采用传统的输送方法——加热输送。而为保证不出现堵塞管道的灾难性严重事故，通常原油输运温度至少要高于原油凝点温度3℃以上，为此，我国每年要烧掉几十万吨原油，价值数亿元人民币。由此可见，哪怕输运温度仅仅降低1℃，即可产生巨大的经济效益。
含蜡原油的安全节能输送技术的发展有赖于对原油在管道中受热状况不同时流动性能的影响以及原油的凝固和熔化过程的研究。通过对含蜡原油随温度变化时，流动状态下的流变特性的测量，可以找到最佳石油输运温度，而且也可以避免输运过程中严重的管道堵塞事故，从而提高管输的经济效益，提高我国石油工业的国际竞争力。含蜡原油是一种非牛顿流体，在管道输运过程中，除了在管道流动中位置和速度发生变化，原油的温度也是要变化的，因而其粘度也随之发生着变化，且原油的流变特性是与其在流动过程中的剪切历史有关，也与其在流动过程中的受热历史有关。
在中国专利ZL00109778.4中公开了一种“圆环流动装置测量流体流变特性的方法”，该方法利用了从环管循环流动观测装置和转轮流动模拟器发展而来的圆环流动装置，对石油的流变特性进行了测量。但是这种装置和方法仅仅考虑了石油流动中在恒温时的剪切历史对其流变特性的影响，不能完全、真实地模拟原油在长距离输运中的情况，因而在解决找寻最佳石油输运温度方面具有局限性。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术测量石油流变特性的装置和方法不能完全、真实地模拟原油在长距离输运中的情况，解决实际问题中具有的局限性，从而提供一种可以真实地模拟原油管输情形的用于测量石油流变特性的系统和方法。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的本发明提供一种用于测量石油流变特性的系统，包括一圆环流动测量装置10，一动力装置9和一控制台11；所述的圆环流动测量装置10包括一管状圆环1，位于圆环1内壁上的压力传感器3，及一与压力传感器相连接的压力讯号发射装置4，控制台11上设有一与之对应的压力讯号接收装置7和视频记录仪6，管状圆环1上设有一注入孔15，其特征在于，所述的圆环流动测量装置10置于一密封箱2内，圆环1内壁上设有一温度传感器12，及与温度传感器相连接的温度讯号发射装置14，控制台11上设有一与之对应的温度讯号接收装置13，密封箱2内设有由控制台11控制的气温控制装置8，或是水/油温控制装置5。
所述的气温控制装置8为空调装置，适用于低精度的测量。
所述的水/油温控制装置5为将圆环流动测量装置10置于水或油浴中的控温装置，适用于高精度的测量。
本发明提供一种利用上述用于测量石油流变特性的系统对石油的流变特性进行测量的方法，包括如下步骤1/在静止状态下，将外径为R0的圆环1的注入孔15的下端与圆环正中间水平线相切，将待测石油从注入孔处装入，直至注入孔下端平齐处，装入量为圆环容积的1/2；2/开启动力装置9，以转动速度ω旋转圆环1；3/开启温度讯号接收装置13、温度传感器12及温度讯号发射装置14，测量圆环1内的温度，并由控制台11通过计算机系统控制水/油温控制装置5或气温控制装置8，使圆环流动测量装置10处于所设定的温度T(t)；4/开启压力传感器3、压力讯号发射装置4和压力讯号接收装置7，在视频记录仪6上记录由压力传感器测量到的圆环壁上的压力变化曲线，并根据ZL00109778.4中的方法来确定在转动速度ω和温度T(t)下的高度差h，及待测石油的表观粘度μT(t)，ω。
利用本发明提供的用于测量石油流变特性的系统和方法可对石油的动态流变特性进行测量。本系统可真实地模拟含蜡原油在管道输运过程中表现的特性，可同时反映出其各种情况的剪切历史和受热历史。由于存在过冷，原油从较高温度降至凝固点时，在流动状态下的原油仍然可能保持其流动特性；同理，由于过热，原油从较低温度上升到熔化点时，原油可能将会保持非流动状态。因而，利用本发明的用于测量石油流变特性的系统和方法可以研究原油在凝固点附近的流变特性是十分有意义的。模拟原油在管道输运过程中从较高温度降至凝固点时表现的特性为原油安全节能的输运提供了理论依据。另外，利用本方法进行多次测量，可以建立待测石油、转动速度ω、温度T(t)和表观粘度μ的一套数据库，为实际应用提供一个标准曲线，在不具备做实验模拟的条件下，也可选择出安全节能的输运条件。


图1为本发明提供的用于测量石油流变特性的系统的示意图。
其中，圆环1 密封箱2 压力传感器3压力讯号发射装置4 水/油温控制装置5视频记录仪6压力讯号接收装置7 气温控制装置8 动力装置9圆环流动测量装置10 控制台11温度传感器12温度讯号接收装置13 温度讯号发射装置14 注入孔1具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发明通过图1所示系统测量随温度变化时石油流变特性的方法如下1/在静止状态下，将外径为R0的圆环1的注入孔15的下端与圆环正中间水平线相切，将待测石油从注入孔处装入，直至注入孔下端平齐处，装入量为圆环容积的1/2；2/开启动力装置9，以转动速度ω旋转圆环1；3/开启温度讯号接收装置13、温度传感器12及温度讯号发射装置14，测量圆环1内的温度，并由控制台11通过计算机系统控制水/油温控制装置5或气温控制装置8，使圆环流动测量装置10处于所设定的温度T(t)；
4/开启压力传感器3、压力讯号发射装置4和压力讯号接收装置7，在视频记录仪6上记录由压力传感器测量到的圆环壁上的压力变化曲线，并根据ZL00109778.4中的方法来确定在转动速度ω和温度T(t)下的高度差h，及待测石油的表观粘度μT(t)，ω。
实施例1、模拟温度变化T＝T(t)时石油动态流变特性的测量对于某种石油从A地在管道内被输运到B地，沿途管道温度是变化的T＝T(x)，如果沿途的石油输运速度v＝v(x)，则可将石油位置x的变化换算为时间t的变化x＝vt，从而得到T＝T(t)，并可据此设定模拟状态的温度变化。
例如A地是石油加热站，凝固点为15℃的石油，以线性的降温方式T(x)＝T0-kx被输运到B地，其中T0为石油在A地刚刚加热后的初始温度，x为石油离开A地的位置，k为沿途降温系数2℃/km，假设T0是100℃，AB两地为40km，这时石油到达B地的温度为100℃-2℃/km×40km＝20℃，高出该石油凝固点(15℃)5℃，所以该运输是安全的。
显然，石油在A地不必加热到100℃，只要加热到98℃即可。但是为了安全起见，现在我们要在实际的长距离输运前在本发明提供的圆环内模拟该石油的输运情况。如果石油在管道中输运速度为5km/hr，则需经过8小时运输才能抵达B地。为了保证模拟出相同的热效应，待测石油在管内也应转动8小时，即每小时降温10℃。因而控制圆环1内的温度以T(t)＝T0-gt降温，g＝10℃/hr，即每小时降温10℃。
按照上述参数进行模拟测量1/在静止状态下，将外径为R0的圆环1的注入孔15的下端与圆环正中间水平线相切，将待测石油从注入孔处装入，直至注入孔下端平齐处，装入量为圆环容积的1/2；2/开启动力装置9，以测量所需的转动速度ω旋转圆环1；即ω＝V/2πR0，其中V＝5km/hr；3/开启温度讯号接收装置13、温度传感器12及温度讯号发射装置14，测量圆环1内的温度，并由控制台11通过计算机系统控制水/油温控制装置5或气温控制装置8，使圆环流动测量装置10处于待模拟的温度T(t)；由T(t)＝T0-gt，T0＝98℃，g＝10℃/hr，所以设定T(t)＝98-10t；4/开启压力传感器3、压力讯号发射装置4和压力讯号接收装置7，在视频记录仪6上记录由压力传感器测量到的圆环壁上的压力变化曲线，并根据ZL00109778.4中的方法来确定在转动速度ω和温度T(t)下的高度差h，及待测石油的表观粘度μT(t)，ω。
最后通过有编辑程序的计算机实时运算，打印出要求的原油动态流变特性数据；如果认为记录的数据可以满足使用需求，关闭有关运行系统；否则另行设置，重新运行测量方法进行模拟。
这样，我们在石油输运以前进行圆环内模拟研究，就可以得到工地现场流动的主要情况。然后通过现场实测进一步修正该模拟测量。
实施例2、在凝固点附近T＝(Tn+T1)～(Tn-T2)时石油动态流变特性的测量(其中，Tn为凝固点温度；T1、T2凝固点温度增加量和减少量)1/在静止状态下，将外径为R0的圆环1的注入孔15的下端与圆环正中间水平线相切，将待测石油从注入孔处装入，直至注入孔下端平齐处，装入量为圆环容积的1/2；2/开启动力装置9，使其转动的速度ω为测量所需的数值V，ω＝V/2πR0，通常V＝V0＝常数，例如10cm/sec；如果需要，也可以是随时间变化的速度V＝V(t)；3/开启温度讯号接收装置13、温度传感器12及温度讯号发射装置14，测量圆环1内的温度，并由控制台11通过计算机系统控制水/油温控制装置5或气温控制装置8，使圆环流动测量装置10从凝固点Tn附近的某一温度Tn+T1(例如T1＝3℃)降到Tn-T2(例如T2＝3℃)；4/开启压力传感器3、压力讯号发射装置4和压力讯号接收装置7，在视频记录仪6上记录由压力传感器测量到的圆环壁上的压力变化曲线，并根据ZL00109778.4中的方法来确定在转动速度ω和温度T(t)下的高度差h，及待测石油的表观粘度μT(t)，ω。
最后通过有编辑程序的计算机实时运算，打印出要求的原油动态流变特性数据；如果认为记录的数据可以满足使用需求，关闭有关运行系统；否则另行设置，重新运行测量方法进行模拟。
实施例3、在熔化点附近(T＝Tr-T3)～(Tr+T4)时石油的流变特性的测量(其中，Tr为熔化点温度；T3、T4为熔化点温度减少量和增加量)1/在静止状态下，将外径为R0的圆环1的注入孔15的下端与圆环正中间水平线相切，将待测石油从注入孔处装入，直至注入孔下端平齐处，装入量为圆环容积的1/2；2/开启动力装置9，使其转动的速度ω为测量所需的数值V，ω＝V/2πR0，通常V＝V0＝常数，例如10cm/sec；如果需要，也可以是随时间变化的速度V＝V(t)；3/开启温度讯号接收装置13、温度传感器12及温度讯号发射装置14，测量圆环1内的温度，并由控制台11通过计算机系统控制水/油温控制装置5或气温控制装置8，使圆环流动测量装置10从熔化点Tr(例如10℃)附近的某一温度Tr-T3(例如T3＝3℃)上升到Tr+T4(例如T4＝3℃)；直至旋转圆环内该物质熔化，使该物质在圆环内流动起来为止；4/开启压力传感器3、压力讯号发射装置4和压力讯号接收装置7，在视频记录仪6上记录由压力传感器测量到的圆环壁上的压力变化曲线，并根据ZL00109778.4中的方法来确定在转动速度ω和温度T(t)下的高度差h，及待测石油的表观粘度μT(t)，ω。
最后通过有编辑程序的计算机实时运算，打印出要求的原油动态流变特性数据；如果认为记录的数据可以满足使用需求，关闭有关运行系统；否则另行设置，重新运行测量方法进行模拟。
权利要求
1.一种用于测量石油流变特性的系统，包括一圆环流动测量装置(10)，一动力装置(9)和一控制台(11)；所述的圆环流动测量装置(10)包括一管状圆环(1)，位于圆环(1)内壁上的压力传感器(3)，及一与压力传感器相连接的压力讯号发射装置(4)，控制台(11)上设有一与之对应的压力讯号接收装置(7)和视频记录仪(6)，管状圆环1上设有一注入孔(15)，其特征在于，所述的圆环流动测量装置(10)置于一密封箱(2)内，圆环(1)内壁上设有一温度传感器(12)，及与温度传感器相连接的温度讯号发射装置(14)，控制台(11)上设有一与之对应的温度讯号接收装置(13)，密封箱(2)内设有由控制台(11)控制的气温控制装置(8)，或是水/油温控制装置(5)。
2.如权利要求1所述的用于测量石油流变特性的系统，其特征在于，所述的气温控制装置(8)为空调装置。
3.如权利要求1所述的用于测量石油流变特性的系统，其特征在于，所述的水/油温控制装置(5)为将圆环流动测量装置(10)置于水或油浴中的控温装置。
4.一种利用权利要求1所述的用于测量石油流变特性的系统对石油的流变特性进行测量的方法，包括如下步骤1/在静止状态下，将外径为R0的圆环(1)的注入孔(15)的下端与圆环正中间水平线相切，将待测石油从注入孔处装入，直至注入孔下端平齐处，装入量为圆环容积的1/2；2/开启动力装置(9)，以转动速度ω旋转圆环(1)；3/开启温度讯号接收装置(13)、温度传感器(12)及温度讯号发射装置(14)，测量圆环(1)内的温度，并由控制台(11)通过计算机系统控制水/油温控制装置(5)或气温控制装置(8)，使圆环流动测量装置(10)处于所设定的温度T(t)；4/开启压力传感器(3)、压力讯号发射装置(4)和压力讯号接收装置(7)，在视频记录仪(6)上记录由压力传感器测量到的圆环壁上的压力变化曲线，并根据ZL00109778.4中的方法来确定在转动速度ω和温度T(t)下的高度差h，及待测石油的表观粘度μT(t)，ω。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量石油随温度变化时流变特性的系统和方法。该系统包括圆环流动测量装置，动力装置和控制台，其特征在于，所述的圆环流动测量装置置于一密封箱内，圆环内壁上设有一温度传感器，及与之相连的讯号发射装置，控制台上设有一与之对应的讯号接收装置，密封箱内设有由控制台控制的温度控制装置。使用该系统对石油的流变特性进行测量的方法包括将待测石油装入圆环；以转动速度ω旋转圆环；控制水/油温控制装置或气温控制装置使圆环流动测量装置处于所设定的温度T(t)；记录压力变化曲线，并根据ZL00109778.4中的方法来确定在转动速度ω和温度T(t)下的高度差h，及待测石油的表观粘度μ
文档编号G01N11/00GK1680799SQ20041003084
公开日2005年10月12日 申请日期2004年4月8日 优先权日2004年4月8日
发明者钱民全, 张劲军, 范椿, 张帆, 赵笃凤, 彭荣蕤, 钱大兴, 肖兰 申请人:中国科学院力学研究所