盧興國(guó),丁建華,劉 剛,羅小明,陳 雷
(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,山東青島 266580;2.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司,河北廊坊 065000)
壓縮性是材料的重要物性參數(shù)之一[1-4],在石油工業(yè)中,原油的壓縮性對(duì)原油非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)計(jì)量至關(guān)重要[1-6]。范砧等[7-8]對(duì)我國(guó)原油的壓縮性開(kāi)展了一系列測(cè)試,給出了計(jì)算原油壓縮性的公式,并得到了廣泛應(yīng)用和認(rèn)可,但上述研究主要針對(duì)液態(tài)原油,未涉及膠凝原油的壓縮性。
膠凝原油的壓縮性是開(kāi)展膠凝原油管道非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程水力計(jì)算的基礎(chǔ),復(fù)雜流體的管道啟動(dòng)數(shù)值計(jì)算中,壓縮系數(shù)是連續(xù)性方程中的關(guān)鍵參數(shù)[9-11]。在液態(tài)原油壓縮性研究的基礎(chǔ)上,學(xué)者們開(kāi)展了膠凝態(tài)原油壓縮性的相關(guān)研究。Davidson等[6]在研究原油與黏塑、觸變性流體管道啟動(dòng)過(guò)程時(shí),均認(rèn)為連續(xù)性方程中的流體壓縮系數(shù)應(yīng)根據(jù)壓力變化量與體積變化量計(jì)算獲取,但并未討論流體壓縮性特點(diǎn)與測(cè)量的具體方法。Liu等[12-14]利用機(jī)械密封的壓縮艙開(kāi)展了膠凝原油壓縮性研究,結(jié)果表明膠凝原油的壓縮性與其體積變形量直接相關(guān),但壓縮艙尺寸較大,且未討論壓縮艙內(nèi)的壓力分布問(wèn)題對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響;有學(xué)者[15-16]通過(guò)測(cè)試膠凝原油內(nèi)部超聲波速計(jì)算了原油的體積彈性模量,但超聲波經(jīng)過(guò)膠凝原油內(nèi)部所引起的體積變形量微乎其微。
膠凝原油作為特殊的軟物質(zhì),其壓縮特性的測(cè)試存在一定的難度:①由于自身強(qiáng)度遠(yuǎn)不如巖石等固體,膠凝原油的體積壓縮性測(cè)試須在容器內(nèi)開(kāi)展;②不同于牛頓流體,膠凝原油有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,若壓縮艙體積過(guò)大,壓力傳遞問(wèn)題會(huì)影響壓縮艙內(nèi)的壓力分布,并影響壓縮性的測(cè)試結(jié)果;③隨著壓縮艙體積的減小,壓力變化引起的壓縮艙內(nèi)原油體積變形量ΔV越小,此時(shí)活塞“機(jī)械密封件”的變形或“油品泄漏”對(duì)ΔV的測(cè)量結(jié)果影響越顯著。因此,普通機(jī)械密封的壓縮裝置在測(cè)量膠凝原油壓縮性時(shí)存在一定的不足。本文研發(fā)了一種特殊密封的測(cè)量裝置,解決了機(jī)械密封變形或泄漏影響測(cè)量結(jié)果的問(wèn)題,并驗(yàn)證了裝置測(cè)試結(jié)果的可靠性,該裝置可廣泛應(yīng)用于凝膠體系的壓縮性測(cè)試實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)裝置的原理及三維結(jié)構(gòu)如圖1所示,三維布置及實(shí)物圖如圖2所示。整套實(shí)驗(yàn)裝置外設(shè)有水浴控溫槽,可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)介質(zhì)溫度的準(zhǔn)確控制。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括氣源、CCD相機(jī)、液位觀測(cè)艙、原油壓縮艙4個(gè)模塊。其中液位觀測(cè)艙與原油壓縮艙之間有管道、閥門(mén)連接,且由彈性薄膜隔離,彈性薄膜為特制的膠乳薄膜,能夠在75℃的高溫下依舊保持較好的柔韌性和彈性。在原油壓縮艙外部采用水浴控溫,水浴型號(hào)為T(mén)hermal SUNRISE SR20,控溫精度為0.02℃。
圖1 壓縮裝置原理及三維結(jié)構(gòu)圖
圖2 壓縮裝置三維布置(a)及實(shí)物圖(b)
液位觀測(cè)艙上半部分為石英玻璃材質(zhì),用于觀測(cè)液位,內(nèi)徑為10 mm,外徑為25 mm,該部分口徑較小,確保較小的體積變形量可以引起明顯的液位高度變化,以提高體積變形量測(cè)算結(jié)果的精度;下半部分的變徑與大口徑段為金屬材質(zhì)。液位觀測(cè)艙內(nèi)裝有中間媒介液體,具有揮發(fā)性差、流動(dòng)性好、性質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn),且為牛頓流體,本文實(shí)驗(yàn)均采用甘油。
實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí),彈性薄膜左側(cè)空間、連接閥及管道、液位觀測(cè)艙內(nèi)為中間媒介,而彈性薄膜的右側(cè)空間內(nèi)為測(cè)試的原油樣品。原油壓縮艙為圓筒狀,長(zhǎng)度為0.37 m,外徑為75 mm,內(nèi)徑為50 mm。對(duì)于液體或類(lèi)固體的原油,其可壓縮性并不明顯,在有限的原油體積下,施加壓力后產(chǎn)生的積變形量ΔV不大。因此,施加壓力后,彈性薄膜變形量不大,彈性薄膜兩側(cè)的壓力差異可以忽略。氣源施加壓力后,壓力經(jīng)中間媒介液體傳遞至彈性薄膜,并通過(guò)彈性薄膜傳遞至原油壓縮艙內(nèi),實(shí)現(xiàn)原油的體積壓縮。
原油壓縮艙前后兩端分別安裝2個(gè)相同的壓力傳感器,以判斷膠凝原油壓縮艙內(nèi)的壓力分布是否均勻。2個(gè)壓力傳感器之間的水平距離為30 cm,壓力傳感器型號(hào)為MPM416W,量程-0.1~1.0 MPa,精度等級(jí)為±0.25%FS。壓縮艙中間位置安裝有溫度傳感器,原油進(jìn)、出口采用下進(jìn)上出的方式,利于排除裝置內(nèi)氣體。
液位觀測(cè)艙內(nèi)液位高度是裝置內(nèi)媒介液體、原油可壓縮性的直接體現(xiàn)。因此,準(zhǔn)確測(cè)量中間媒介的液位變化是實(shí)現(xiàn)原油體積壓縮量測(cè)算的前提。液位測(cè)量主要由液位觀測(cè)窗、高精度液位測(cè)量?jī)x和機(jī)器視覺(jué)圖像處理系統(tǒng)三部分組成。高精度液位測(cè)量?jī)x為工業(yè)CCD數(shù)字相機(jī)及其配套設(shè)備,型號(hào)為MV-EM510M,最高分辨率2 456 ×2 058,像素尺寸為3.45 μm ×3.45 μm;配合BTOS系列的雙遠(yuǎn)心鏡頭,鏡頭倍率為0.528 Mag,物距為45 mm,景深1 mm,遠(yuǎn)心度為0.05°,分辨率為76.3 lp/mm,兩者組合光學(xué)放大精度理論值為6 μm。液位測(cè)量?jī)x采集的照片運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行批處理,將圖片中的位移變化信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出和儲(chǔ)存,以便后續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理(見(jiàn)圖3)。
圖3 液位測(cè)量與圖形分析示意圖
本文基于圖像處理軟件自行編寫(xiě)圖像處理程序,實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的批處理。實(shí)驗(yàn)所編寫(xiě)圖像處理程序主要包含圖像讀取、ROI劃定、閾值分割、輪廓擬合、距離計(jì)算、數(shù)據(jù)顯示與儲(chǔ)存六部分。其中,ROI劃定作用是篩選有效計(jì)算區(qū)域,排除無(wú)關(guān)圖像的影響,提高計(jì)算準(zhǔn)確度和計(jì)算效率;閾值分割和輪廓擬合為核心部分,本文采用edges_sub_pix算子中的canny濾波器,輪廓擬合前根據(jù)設(shè)定條件對(duì)部分干擾對(duì)象進(jìn)行排除,然后采用圓弧線對(duì)液位觀測(cè)窗內(nèi)的凹液面進(jìn)行擬合。
液位測(cè)量?jī)x所拍攝照片,在圖像處理時(shí),得到的結(jié)果為像素單位,而實(shí)驗(yàn)中需要的是真實(shí)的距離。因此,在使用CCD相機(jī)開(kāi)展液位測(cè)量前,首先需要確定圖像像素與實(shí)際高度的關(guān)系。采用分辨率為1 μm的數(shù)顯螺旋測(cè)微儀(本文實(shí)驗(yàn)采用德國(guó)masterproof 64200螺旋測(cè)微儀,量程為0~25 mm),依次隨機(jī)增大數(shù)顯示數(shù),并分別拍攝不同示數(shù)時(shí)螺旋測(cè)微儀的照片,然后對(duì)照片進(jìn)行處理,得到像素單位。以首次螺旋測(cè)微儀示數(shù)與對(duì)應(yīng)照片的像素值為初始值,計(jì)算后續(xù)其他示數(shù)及照片所得像素值與初始值差值,獲得數(shù)據(jù)如圖4所示。
圖4 距離真實(shí)值與像素差值關(guān)系圖
由圖4可知,液位測(cè)量?jī)x具有較好的線性度,可靠性良好,擬合得到關(guān)系式,
式中:L為螺旋測(cè)微儀的示數(shù)差值,即真實(shí)距離,mm;p為像素差值,即圖像中螺旋測(cè)微儀探頭移動(dòng)的距離。圖片的最小分辨率為1像素,因此可以認(rèn)為本裝置測(cè)量液位的最小刻度6.02 μm,與理論精度6 μm基本一致。
應(yīng)注意的是,壓縮性測(cè)試過(guò)程中應(yīng)保證液位在液位觀測(cè)艙變徑段以上的等直徑圓筒段,以確保體積變形量的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。
實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)增加壓縮艙、觀測(cè)艙的壁厚,可以有效降低艙體彈性變形對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響??紤]本文測(cè)試的壓力通常在0.5 MPa以下,艙體材料的彈性變形量極小,故本文在液體體積壓縮量的計(jì)算過(guò)程中,忽略艙體自身的彈性形變帶來(lái)的影響。
為便于利用相機(jī)測(cè)量液位,需標(biāo)記觀測(cè)艙中的液位參考位置,并測(cè)量液體充滿至該參考位置時(shí)對(duì)應(yīng)的總體積。在原油壓縮艙、液體觀測(cè)艙以及兩者之間的管道內(nèi)充滿水,確保液面達(dá)到標(biāo)記的液位高度,將水全部放出,測(cè)量水的體積,獲得標(biāo)記位置處艙體內(nèi)的總?cè)莘e。本文標(biāo)記位置處對(duì)應(yīng)的液體總體積V=1.624 66×10-3m3。
由于壓縮性測(cè)試過(guò)程中,溫度的變化會(huì)導(dǎo)致壓縮艙、觀測(cè)艙內(nèi)介質(zhì)的體積變化。因此,實(shí)驗(yàn)測(cè)試初始時(shí)刻控制中間媒介液體的高度略低于標(biāo)記的參考位置;施加壓力之前,通過(guò)逐滴加入中間媒介液,使液位高度達(dá)到標(biāo)記的參考位置。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,可以通過(guò)控制中間媒介液的加入量,使觀測(cè)艙內(nèi)液位處于標(biāo)記的刻度位置,則可以獲取甘油與原油體積之和V =1.624 66×10-3m3。
開(kāi)展原油體積壓縮性測(cè)試時(shí),整個(gè)裝置內(nèi)的介質(zhì)體積V包括原油體積Vo與甘油體積Vg兩部分;同樣,體積變形量ΔV也包括甘油的體積變形量ΔVg與原油的體積變形量ΔVo兩部分,即:
Δp為壓力變化值,Pa;βg為甘油的體積壓縮系數(shù),Pa-1。實(shí)驗(yàn)測(cè)算思路為:①直接測(cè)算獲得:總體積V、甘油體積Vg、總體積變形量ΔV;②根據(jù)甘油體積壓縮系數(shù)βg計(jì)算獲得ΔVg,并計(jì)算獲得Vo、ΔVo;③根據(jù)Δp、Vo、ΔVo計(jì)算原油的壓縮系數(shù)。
壓縮裝置內(nèi)各處壓力一致是開(kāi)展介質(zhì)壓縮性研究的前提。本文所研發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝置中,采用彈性薄膜隔離中間媒介液體與原油,若彈性薄膜兩側(cè)壓差出現(xiàn)顯著差異,則意味著壓縮裝置內(nèi)壓力分布不均勻。因此,有必要對(duì)彈性薄膜兩側(cè)壓力進(jìn)行測(cè)試。
在如圖1所示的彈性薄膜右側(cè)原油壓縮艙內(nèi)充滿液態(tài)原油,彈性薄膜左側(cè)充滿甘油,利用氣源分別施加約40和400 kPa的壓力,忽略液位高度引起的壓力變化,可以認(rèn)為氣體壓力傳感器的測(cè)試結(jié)果等于彈性薄膜左側(cè)壓力,原油壓縮艙內(nèi)1#壓力傳感器讀取的壓力數(shù)值為彈性薄膜右側(cè)壓力,如圖5所示。
圖5 彈性薄膜前后壓力的對(duì)比
本文氣源加壓時(shí)采用調(diào)節(jié)閥手動(dòng)調(diào)節(jié)壓力,因此艙體內(nèi)的實(shí)際壓力與預(yù)設(shè)的壓力值略有差異,但從圖5可以看出,艙體內(nèi)實(shí)際壓力在預(yù)設(shè)值附近波動(dòng),但彈性薄膜左右兩側(cè)壓力大小基本一致,且壓力增大時(shí),彈性膜兩側(cè)壓力也未出現(xiàn)更明顯的差異,因此可以認(rèn)為原油與甘油所受的壓力始終一致。
本文實(shí)驗(yàn)所用的原油為勝利原油,含蠟量為18.04%,凝點(diǎn)為32℃,析蠟點(diǎn)為45℃,相應(yīng)的物性參數(shù)如下:凝點(diǎn)32.0℃,析蠟點(diǎn)45.0℃,含蠟量18.04%,標(biāo)準(zhǔn)密度0.837 g/cm3。
將處理好的液態(tài)原油注入原油壓縮艙內(nèi),控制溫度,逐漸降溫至凝點(diǎn)以下,形成膠凝原油。低壓力條件下,壓縮艙內(nèi)原油的壓力傳遞更困難,壓力更容易出現(xiàn)分布不均勻的現(xiàn)象。以24℃下的膠凝原油為例,分別控制氣源壓力在20、55 kPa左右,記錄原油壓縮艙內(nèi)不同位置兩個(gè)壓力傳感器的數(shù)值,如圖6所示。
圖6 膠凝態(tài)原油壓縮艙內(nèi)兩端壓力傳感器數(shù)值
從圖6可以看出,當(dāng)氣源施加壓力后,原油壓縮艙內(nèi)2個(gè)壓力傳感器的讀數(shù)基本同時(shí)變化,并且很快達(dá)到氣源所施加的壓力值。因此,在開(kāi)展膠凝原油壓縮性測(cè)試時(shí),可以認(rèn)為原油壓縮艙內(nèi)各處壓力一致。
(1)中間媒介液體的壓縮性測(cè)試。由于原油壓縮性測(cè)算過(guò)程需要中間媒介液體的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),因此首先對(duì)所采用的甘油壓縮性進(jìn)行測(cè)試。甘油壓縮系數(shù)測(cè)試的溫度點(diǎn)取7 個(gè)(24、26、28、30、32、34、45 ℃),每個(gè)溫度點(diǎn)下開(kāi)展9 組不同壓力(50、100、150、250、300、350、400、450、500 kPa)的壓縮性實(shí)驗(yàn)。
將原油壓縮艙、液位觀測(cè)艙、中間連接管全部充滿甘油。加壓前,間隔1 s采集液面作為參考液面,采集60 s,第61 s開(kāi)始加壓,瞬間加壓至設(shè)定壓力值,同樣每間隔1 s采集一次數(shù)據(jù),直至液位達(dá)到穩(wěn)定采集結(jié)束。液位穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)為:1 min內(nèi)液位變化量小于總變形的1%。記錄當(dāng)前壓力與對(duì)應(yīng)的液位變化值,為便于分析,定義液位較參考液位低時(shí),位移為正。
因本裝置由氣源供壓,人工調(diào)節(jié)氣源閥門(mén),壓縮艙內(nèi)的實(shí)際壓力與預(yù)設(shè)值難免存在誤差。本文取1#壓力傳感器數(shù)值作為計(jì)算所需實(shí)際壓力,不同壓力條件下的液位變化如圖7所示??梢钥闯觯刂坪愣ǖ膲毫?,當(dāng)原油壓縮艙內(nèi)充滿甘油時(shí),觀測(cè)艙內(nèi)甘油液位也維持在某一恒定值;壓力越大,液位位移越大。以24℃下甘油壓縮實(shí)驗(yàn)為例,獲取液位變化量與控制壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系,如圖8所示。
圖8 24℃下3次實(shí)驗(yàn)液面穩(wěn)定位移值與壓力的關(guān)系曲線
為保證測(cè)試結(jié)果的可靠性,依據(jù)加壓方案重復(fù)3次測(cè)試,可以看出:3次測(cè)試的數(shù)據(jù)基本重合,且甘油液位變化值與施加壓力呈顯著的線性關(guān)系。由于位移的增大對(duì)應(yīng)著油品體積的減小,因此體積變化量ΔV與位移變化量ΔL之間的關(guān)系可描述為
式中:d為液位觀測(cè)艙內(nèi)徑,0.01 m。甘油的壓縮系數(shù)可以表示為
式中:βg為甘油的壓縮系數(shù),Pa-1。根據(jù)式(6)可以計(jì)算出圖8所示的甘油壓縮系數(shù)為0.395 kPa-1。同理,計(jì)算得到不同溫度下的甘油壓縮系數(shù)如表1所示。從表中可以看出,隨著測(cè)試溫度的升高,甘油壓縮系數(shù)逐漸增大。
表1 不同溫度下甘油的實(shí)測(cè)壓縮系數(shù)
(2)液態(tài)原油壓縮性測(cè)量。將液態(tài)原油注入原油壓縮艙,然后利用注射器將甘油加入到彈性薄膜左側(cè)的液位觀測(cè)艙,充分靜置至溫度達(dá)到測(cè)試溫度后,利用注射器將甘油液位補(bǔ)充至標(biāo)記的液位高度。記錄注射器前后的質(zhì)量差,獲得加入的甘油總質(zhì)量。根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)溫度下對(duì)應(yīng)的甘油密度,計(jì)算獲得實(shí)驗(yàn)條件下甘油的體積Vg。施加不同壓力,讀取液位觀測(cè)艙內(nèi)液位隨壓力的變化規(guī)律,進(jìn)而計(jì)算出液態(tài)原油的壓縮系數(shù)。
本文分別開(kāi)展了34、45℃兩組條件下的液態(tài)原油壓縮性測(cè)試,甘油與原油的總體積V=1 624.66 cm3,根據(jù)甘油質(zhì)量與密度計(jì)算出34℃下的甘油體積Vg=864.669 cm3,45 ℃下的甘油體積Vg= 898.964 cm3。液體原油壓縮性實(shí)驗(yàn)獲得的液位高度隨壓力的變化如圖9所示。
圖9 液態(tài)原油壓縮性測(cè)試中實(shí)測(cè)液面位移與對(duì)應(yīng)壓力關(guān)系曲線
由圖9可知,隨著壓力增加,觀測(cè)艙液位不斷增大。根據(jù)式(2)~(5)可以推導(dǎo)得到液態(tài)原油的壓縮系數(shù)表達(dá)式:
基于式(7),結(jié)合表1中甘油的壓縮系數(shù)以及圖9中的曲線斜率,可計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)測(cè)試的液態(tài)原油壓縮系數(shù)。為了驗(yàn)證本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,進(jìn)而論證所開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試液態(tài)原油壓縮性的可靠性,將計(jì)算結(jié)果與利用文獻(xiàn)[7]中液態(tài)原油壓縮性計(jì)算公式得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。文獻(xiàn)中獲得的液態(tài)原油壓縮性表達(dá)式為
式中:T為溫度,℃;ρ為測(cè)量油品的標(biāo)準(zhǔn)密度,kg/m3;F 為壓縮系數(shù),Pa-1。根據(jù)式(8)可計(jì)算出34、45℃實(shí)驗(yàn)條件下液態(tài)原油的壓縮系數(shù),列入表2。
表2 本文測(cè)試的液體原油壓縮系數(shù)與文獻(xiàn)[7]計(jì)算值對(duì)比
由表2可知,本文利用自主研發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試獲取的液態(tài)原油壓縮系數(shù)與文獻(xiàn)中經(jīng)典公式的計(jì)算值基本一致,相對(duì)誤差在3%以內(nèi)。因此,表明本文研發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝置在開(kāi)展原油壓縮性測(cè)試時(shí)是可靠的,同時(shí),可為同類(lèi)凝膠軟物質(zhì)的壓縮性測(cè)試提供新的測(cè)試手段及方法。
本文提出并研發(fā)了一套利用“彈性薄膜+牛頓流體”密封的壓縮實(shí)驗(yàn)裝置,解決了傳統(tǒng)活塞壓縮裝置的密封件機(jī)械變形問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)裝置主要由氣源、CCD相機(jī)、液位觀測(cè)艙、原油壓縮艙四個(gè)模塊組成,利用中間媒介液位變化實(shí)現(xiàn)壓縮性測(cè)試,對(duì)測(cè)試壓力在0.5 MPa以下的裝置可靠性進(jìn)行驗(yàn)證分析;發(fā)現(xiàn)彈性薄膜兩側(cè)壓力差異不大,壓縮艙內(nèi)壓力分布一致,從而驗(yàn)證了裝置的合理性。采用勝利液體原油進(jìn)行壓縮性實(shí)驗(yàn),計(jì)算得到34、45℃溫度下的壓縮系數(shù),與文獻(xiàn)中經(jīng)典公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比,相對(duì)誤差在3%以內(nèi),驗(yàn)證了此裝置的可靠性和精度,在膠凝軟物質(zhì)壓縮性測(cè)試方面具有良好的推廣價(jià)值。
·名人名言·
想像力比知識(shí)更重要,因?yàn)橹R(shí)是有限的,而想像力概括著世界的一切,推動(dòng)著進(jìn)步,并且是知識(shí)進(jìn)化的源泉。嚴(yán)格地說(shuō),想像力是科學(xué)研究的實(shí)在因素。
——愛(ài)因斯坦