专利名称：测量油/水双相流体系中金属表面润湿状态的装置及方法
技术领域：
本发明属于金属表面油/水润湿状态的测量领域，具体涉及一种测量油/水双相流体系中金属表面润湿状态的装置及方法，该装置和方法为研究金属材料在流动的油/水体系中的腐蚀磨损行为提供了有利的条件。
背景技术：
石油是当今世界上最重要的能源物质之一，目前国内外油田80%以上的采油井选用有杆机械泵采油方式，有杆泵采油面对的严重问题之一是油管和抽油杆之间由于腐蚀磨损所造成的早期失效。近年来随着我国油田开发的不断深入，一者油田开采的地质对象逐渐转向薄层和低渗透层，由于地层条件差，自然产能低，导致抽油杆承受的载荷不断增加；二者目前大部分油田已进入中、高含水期的开采阶段，加之多年的强注强采，综合含水逐年上升，井液的腐蚀性不断增强。两者共同作用致使采油生产中抽油设备的腐蚀磨损问题越来越突出，油井免修期明显缩短，维护工作量大幅增加，采油成本迅速上升。一般来说，金属在油中难以腐蚀，只有当油中的水含量逐渐增加，金属表面有水吸附才可能发生腐蚀；金属在油中的磨损也是轻微的，因为油膜的承载能力高，能有效润滑而减缓磨损，只有当金属表面吸附了水，由于水膜承载能力差，导致润滑失效磨损加剧。可见金属表面的润湿状态对其在油/水双相流体系中的腐蚀磨损行为至关重要。在静态条件下可以通过测量液体在金属表面的润湿角来推测金属表面的润湿状态(水润湿还是油润湿)，但在流动状态下则无法进行这种测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量油/水双相流体系中金属表面润湿状态的装置及方法，该装置和方法解决了流动的油/水体系中金属表面润湿状态的测量问题。其工作原理是根据油与水的电导率不同，通过即时测量电导值来判断固体表面液膜的油/水性质，从而获得金属表面润湿状态的信息。本发明的技术方案如下:一种测量油/水双相流体系中金属表面润湿状态的装置，该装置包括储液罐、体积流量计、循环泵、流速调节阀、圆盘分水器、样品槽、试验样品、微型电导传感器和信号处理及显示线路；其中，圆盘分水器包括入水口、缓冲腔和多个出水口，入水口开设在缓冲腔的一个端面上，出水口开设在缓冲腔的另一个端面上；所述缓冲腔为两端封闭的不锈钢圆筒，各个出水口围绕缓冲腔另一端面的中心设置且间距相等，各个出水口到缓冲腔另一端面的中心距离相等；所述样品槽底部中央开设一盲槽，盲槽底部开设多个均勻分布的通孔，在样品槽两个相对的侧面下部分别开设多个进水口和多个排水口，进水口、排水口的数量与圆盘分水器出水口的数量相同；所述样品槽为无盖的长方形容器，由有机玻璃制作，样品槽侧面各进水口和排水口的圆心距样品槽底面距离相等，样品槽进水孔的面积小于其排水孔的面积，以保证进入样品槽的水能及时排出；试验样品与样品槽底部的盲槽及微型电导传感器之间的空隙以环氧树脂填充，防止液体泄露。所述储液罐的出水口与体积流量计的一端连接，体积流量计的另一端与循环泵入口连接，循环泵的出口连接流速调节阀一端，流速调节阀另一端连接圆盘分水器的入水口 ；所述圆盘分水器的出水口与样品槽的进水孔连接，样品槽的排水口与储液罐连接；所述储液罐为圆筒状容器，由有机玻璃制成，其出水口设置于其侧壁下部；所述储液罐与体积流量计之间及体积流量计与循环泵之间采用耐压塑料管连接；所述圆盘分水器的出水口通过硅橡胶管与样品槽的进水孔连接，样品槽的排水口连接硅橡胶管，其另一端由储液罐顶部导入储液te ；所述微型电导传感器是将不锈钢丝用绝缘材料固封在薄壁不锈钢管中制成，不锈钢丝的长度大于薄壁不锈钢管的长度，不锈钢丝一端与薄壁不锈钢管的一端在同一平面上，该平面为微型电导传感器的探头，不锈钢丝为微型电导传感器的一极，不锈钢管为微型电导传感器的另一极；所述绝缘材料为环氧树脂或热缩套管等。所述试验样品上开设多个均匀分布的通孔，其与盲槽底部的通孔数量相等，且 对应后同轴等径；试验样品置于样品槽底部的盲槽中，微型电导传感器插入盲槽上的
各个通孔，并一一对应地穿过试验样品上的各个通孔，微型电导传感器的探头与试验样品的上表面平齐；试验样品与样品槽底部的盲槽及微型电导传感器之间的空隙以环氧树脂填充，防止液体泄露；所述微型电导传感器连接信号处理及显示线路。所述信号处理及显示线路主要由电源、反相器、比较电阻、保护电阻和发光二极管组成，用于将微型电导传感器测得的信号用发光二极管来显示；所述体积流量计为椭圆齿轮流量计，其测量值不受油/水混合液体性质的影响，其量程由测量要求确定；所述流速调节阀为不锈钢球阀；所述循环泵为管道离心泵，依据需测量的流体最高流速选择泵的功率。上述油/水双相流体系中金属表面润湿状态测量装置工作时，储液罐中的油/水混合液体，经过体积流量计进入循环泵，循环泵使液体经过流速调节阀，进入圆盘分水器，分为八个支路，从一端平行流入样品槽，均匀流经试验样品表面(镶嵌有微型电导传感器的探头)后，从样品槽另一端流出，回注到储液罐中；与此同时通过信号处理及显示线路获得由微型电导传感器测量的其探头表面液膜的电导值。用上述装置测量油/水双相流体系中金属表面润湿状态的方法，包括如下步骤:I)将试验液体倒入储液罐中，开动循环泵，待试验液体油/水双相混合并在整个装置中平稳循环流动；2)给信号处理及显示线路加电，发光二极管开始闪烁；3)调节流速调节阀，使体积流量计显示的试验液体流速达到设定值；4)待发光二极管的工作状态稳定后，记录导通的发光二极管的数量；5)重复步骤3)、4)，直至完成所有设定流速下的测量工作；6)根据公式:水润湿百分比=(导通的发光二极管数量/传感器的数量)X 100%，得到试验样品表面的水润湿百分比。
本发明具有如下优点:1、本发明采用测量固体表面液膜电导值的方法判断液膜的油/水性质，根据探头表面液膜推断其附近液膜性质，解决了在流动状态下金属表面油/水润湿状态的测量问题。2、本发明设计和制作的微型电导传感器，作为其探头的端面面积小，两极间的距离小，能够在对液膜干扰尽可能小的条件下反映探头附近试验样品表面的润湿状态。3、本发明采用大尺寸平板状试验样品，在试验样品表面镶嵌众多微型电导传感器，测量的信号采集灵敏迅速，能真实地即时地描述试验样品表面的润湿状态。4、本发明采用发光二极管随时显示所有微型电导传感器的测量结果，直观地反映了试验样品表面的润湿状态，便于计算试验样品表面水润湿(或油润湿)所占百分比，并时观察其变化。5、本发明采用了自行设计的圆盘分水器和两侧带有8个通孔的样品槽，保证了油/水双相流体在大尺寸试验样品表面各处的流速相同。6、本发明采用模块化设计，装置的每一部分均可以方便地拆卸、组合以及再改造。总之，本发明可以测量不同油/水体系、不同流速下金属表面的润湿状态，为研究金属在油/水双相流体系中的腐蚀磨损问题提供了必要的手段。
图1为本发明测量油/水双相流体系中金属表面润湿状态的装置结构示意图。图2为本发明装置中样品槽的结构示意3为本发明圆盘分水器结构示意图。图4为本发明微型电导传感器示意图。图5为本发明信号处理及显示线路框图。图6为利用本发明测量到的金属(碳钢)在油/水体系中润湿状态(水润湿百分比)与流速(用单位时间流量表示)的关系曲线。图中:1-循环泵，2-流速调节阀，3-圆盘分水器，4-样品槽，5-信号采集及显示线路，6-储液罐，7-体积流量计，8-试验样品，9-微型电导传感器，10-入水口，11-缓冲腔，12-出水口，13-不锈钢丝，14-不锈钢管，15-绝缘材料。
具体实施例方式以下通过具体实施例及附图详述本发明。本发明测量油/水双相流体系中金属表面润湿状态的装置，其组成包括储液罐、体积流量计、循环泵、流速调节阀、圆盘分水器、样品槽、试验样品、微型电导传感器和信号处理及显示线路。所述储液罐为Φ (150 250) X (300 500)的圆筒状容器，由有机玻璃制成，圆筒壁下部有Φ (2.5 3.8)的出水孔，出水孔与体积流量计相连。所述体积流量计为椭圆齿轮流量计，其测量值不受油/水混合液体性质的影响，其量程由测量要求确定。所述循环泵为管道离心泵，依据需测量的流体最高流速选择泵的功率。
所述流速调节阀为不锈钢球阀，两端分别与循环泵出口和圆盘分水器入水口相连接。所述圆盘分水器由不锈钢材料制作，包括I个Φ (2.5 3.8)的入水口和8个Φ (10 15)的出水口，出水口和入水口之间为Φ (80 100)的圆柱形缓冲腔；入水口从缓冲腔的一个端面进入，其轴线与缓冲腔轴线重合；出水口从缓冲腔另一端面引出，8个出水口等距分布在端面Φ (50 70)的圆周上，其圆心轴线与缓冲腔轴线重合。所述样品槽用有机玻璃制作，尺寸为(200 300) X (100 200) X (100 150)(长X宽X高)；样品槽底板中央开一盲槽，尺寸为(150 180) X (80 100) X 5 (长X宽X深)，在盲槽底部钻(150 200)个均匀分布的Φ (1.5 2.0)的通孔；在样品槽两个相对的侧面下部分别开8个通孔，各通孔的圆心距底面距离相等，均为(4 6)mm，其中一侦_ Φ (7 10)通孔为进水孔，另一侧的Φ (8 12)通孔为排水孔，以保证进入样品槽的水能及时排出。所述试验样品尺寸为(150 180) X (80 100) X 5 (长X宽X高)，在试验样品上钻(150 200)个均匀分布的Φ (1.5 2.0)的通孔，试验样品上所钻的各通孔必须与盲槽底部所钻的各通孔--对应并同轴等径。所述微型电导传感器是将Φ (0.4 0.6) X (100 200)不锈钢丝用绝缘材料固封在φ (1.5 2.0) X (30 50)的薄壁(壁厚0.15 0.20)不锈钢管中，制成(150 200)个微型电导传感器；不锈钢丝为传感器的一极，不锈钢管为另一极，中间的绝缘材料为环氧树脂和热缩套管等；作为探头的传感器端面用砂纸研磨平整。将试验样品放入样品槽底部的盲槽中，将(150 200)个微型电导传感器插入盲槽上(150 200)个均匀分布的Φ (1.5 2.0)通孔，——对应地穿过试验样品上(150 200)个均匀分布的Φ (1.5 2.0)通孔，使作为传感器探头的端面与试验样品表面平齐，用环氧树脂填充试验样品与样品槽底部盲槽及微型电导传感器之间的所有空隙，防止液体泄露。所述信号处理及显示线路主要由电源、反相器、比较电阻、保护电阻和发光二极管组成，信号处理及显示线路用于将微型电导传感器测得的电阻信号用发光二极管来显示。当油/水混合液体接触微型电导传感器的探头时，探头表面的液膜阻值大于比较电阻时，反相器的输入端为高电位，输出端为低电位，发光二极管截止；反之，探头表面的液膜阻值小于比较电阻时，反相器的输入端为低电位，输出端为高电位，发光二极管导通发光。所述圆盘分水器与样品槽的连接及样品槽与储液罐的连接都采用8根尺寸适当的硅橡胶管，储液槽与体积流量计之间及体积流量计与循环泵之间采用耐压塑料管连接。上述油/水双相流体系中金属表面润湿状态测量装置作业时，储液罐中的油/水混合液体，经过体积流量计进入循环泵，循环泵使液体经过流速调节阀，进入圆盘分水器，分为8个支路，从一端平行流入样品槽，均匀流经试验样品表面(镶嵌有微型电导传感器的探头)后，从样品槽另一端流出，回注到储液罐中；与此同时通过信号处理及显示线路，利用发光二极管显示微型电导传感器探头表面液膜的电导情况。实施例1本发明各部件的尺寸和连接:
如图1所示，本发明测量油/水双相流体系中金属表面润湿状态的装置包括循环泵1、流速调节阀2、圆盘分水器3、样品槽4、信号采集及显示线路5、储液罐6、体积流量计7、试验样品8和微型电导传感器9。循环泵I为750W管道离心泵；储液罐6为Φ 150 X 300的圆筒状容器，用有机玻璃制成，圆筒壁下部有Φ2.54的出水孔；圆盘分水器3由不锈钢材料制作，包括I个Φ2.54的入水口 10和8个Φ 10的出水口 12，出水口 12和入水口 10之间为Φ85的圆柱形缓冲腔11 ；入水口 10从缓冲腔11的一个端面进入，其轴线与缓冲腔11的轴线重合；出水口 12从缓冲腔11的另一端面引出，8个出水口等距分布在端面Φ50的圆周上，其圆心轴线与缓冲腔11的轴线重合，其结构示意图如图3所示；流速调节阀2为不锈钢球阀；体积流量计7为椭圆齿轮流量计，量程为0.6 6m3/h ;样品槽4用有机玻璃制作，尺寸为250 X 150 X 130 (长X宽X高)；样品槽4底板中央开一盲槽，尺寸为160X80X5(长X宽X深)，在盲槽底部钻160个均匀分布的Φ1.8通孔；在样品槽4两个相对的侧面下部分别开8个通孔，各通孔的圆心距底面距离均为4mm，其中一侧的Φ7通孔为进水孔，另一侧的Φ8通孔为排水孔，以保证进入样品槽的水能及时排出，如图2所示；试验样品8尺寸为160X80X5(长X宽X高)，在试验样品上钻160个均匀分布的Φ 1.8的通孔，各通孔必须与盲槽4底部所钻的各通孔一一对应并同轴等径；微型电导传感器9由Φ0.5X150不锈钢丝13用绝缘材料15固封在Φ1.78X30的薄壁不锈钢管14中制成，中间的绝缘材料为环氧树脂和热缩套管等，端面用砂纸研磨平整作为传感器的探头，参见图4 ;将试验样品8放入样品槽4底部的盲槽中，将160个微型电导传感器9经盲槽中的通孔插入试验样品8的通孔，使作为传感器探头的端面与试验样品8表面平齐，用环氧树脂填充试验样品8与试验样品槽4底部盲槽及微型电导传感器9之间的所有空隙，防止液体泄露；信号处理及显示线路主要由电源(DC5V)、54反相器(CD4069UBE)、160个比较电阻(1M Ω )、160个保护电阻(2k Ω)和160个发光二极管组成，电子线路框图如图5。循环泵I的出水口与流速调节阀2的一端相连；流速调节阀2的另一端与圆盘分水器3的入水口 10相连；采用8根硅橡胶管把圆盘分水器3的8个出水口 12与样品槽4的8个进水孔分别连接起来；把8根硅橡胶管一端与样品槽4的8个排水孔分别相连，另一端插入储液罐6中；采用耐压塑料管将储液罐6的出水口与体积流量计7的一端相连；体积流量计7的另一端采用耐压塑料管与循环泵I的入水口相连。实施例2本发明测量油/水双相流体系中金属表面润湿状态的方法:以测量某种油/水双相体系在流动过程中不锈钢类试验样品表面的润湿状态为例:1、样品制备 试验液体为体积百分含量为20 %的蒸馏水与体积百分含量为80 %的3号白油混合液体；试验样品由304不锈钢经机加工制成。2、测量过程I)将按预定体积比配制的试验液体倒入储液罐6中，开动循环泵I，待液体油/水双相混合并在整个装置中平稳循环流动；2)给信号处理及显示线路5加电，发光二极管开始闪烁；3)调节流速调节阀2，使体积流量计7显示的试验液体流速(单位时间流量)达到设定值；4)待发光二极管的工作状态稳定后(10 20min)，记录导通的发光二极管的数量;5)调节流速调节阀2，使体积流量计7显示的流速达到另一设定值；6)待发光二极管的工作状态稳定后(10 20min)，再次记录导通的发光二极管的
数量；7)重复5)、6)，直至完成所有设定流速下的测量工作。8)试验样品表面的水润湿百分比=(导通的发光二极管数量/160) X 100%，测量结果见图6。
权利要求
1.一种测量油/水双相流体系中金属表面润湿状态的装置，其特征在于:该装置包括储液罐、体积流量计、循环泵、流速调节阀、圆盘分水器、样品槽、试验样品、微型电导传感器和信号处理及显示线路；其中，圆盘分水器包括入水口、缓冲腔和多个出水口，入水口开设在缓冲腔的一个端面上，出水口开设在缓冲腔的另一个端面上； 所述样品槽底部中央开设一盲槽，盲槽底部开设多个均匀分布的通孔，在样品槽两个相对的侧面下部分别开设多个进水口和多个排水口，进水口、排水口的数量与圆盘分水器出水口的数量相同； 所述储液罐的出水口与体积流量计的一端连接，体积流量计的另一端与循环泵入口连接，循环泵的出口连接流速调节阀一端，流速调节阀另一端连接圆盘分水器的入水口 ；所述圆盘分水器的出水口与样品槽的进水孔连接，样品槽的排水口与储液罐连接； 所述微型电导传感器是将不锈钢丝用绝缘材料固封在薄壁不锈钢管中制成，不锈钢丝的长度大于薄壁不锈钢管的长度，不锈钢丝一端与薄壁不锈钢管的一端在同一平面上，该平面为微型电导传感器的探头，不锈钢丝为微型电导传感器的一极，不锈钢管为微型电导传感器的另一极； 所述试验样品上开设多个均匀分布的通孔，其与盲槽底部的通孔数量相等，且一一对应后同轴等径；试验样品置于样品槽底部的盲槽中，微型电导传感器插入盲槽上的各个通孔，并一一对应地穿过试验样品上的各个通孔，微型电导传感器的探头与试验样品的上表面平齐；所述微型电导传感器连接信号处理及显示线路。
2.根据权利要求1所述的测量油/水双相流体系中金属表面润湿状态的装置，其特征在于:所述绝缘材料为环氧树脂或热缩套管。
3.根据权利要求1所述的测量油/水双相流体系中金属表面润湿状态的装置，其特征在于:所述信号处理及显示线路主要由电源、反相器、比较电阻、保护电阻和发光二极管组成，用于将微型电导传感器测得的信号用发光二极管来显示。
4.根据权利要求1所述的测量油/水双相流体系中金属表面润湿状态的装置，其特征在于:所述圆盘分水器的缓冲腔为两端封闭的不锈钢圆筒，各个出水口围绕缓冲腔另一端面的中心设置且间距相等，各个出水口到缓冲腔另一端面的中心距离相等。
5.根据权利要求1所述的测量油/水双相流体系中金属表面润湿状态的装置，其特征在于:所述储液罐为圆筒状容器，由有机玻璃制成，其出水口设置于其侧壁下部。
6.根据权利要求1所述的测量油/水双相流体系中金属表面润湿状态的装置，其特征在于:所述储液罐与体积流量计之间及体积流量计与循环泵之间采用耐压塑料管连接；所述圆盘分水器的出水口通过硅橡胶管与样品槽的进水孔连接，样品槽的排水口连接硅橡胶管，其另一端由储液罐顶部导入储液罐。
7.根据权利要求1所述的测量油/水双相流体系中金属表面润湿状态的装置，其特征在于:所述样品槽为无盖的长方形容器，由有机玻璃制作，样品槽侧面各进水口和排水口的圆心距样品槽底面距离相等，样品槽进水孔的面积小于其排水孔的面积；试验样品与样品槽底部的盲槽及微型电导传感器之间的空隙以环氧树脂填充。
8.根据权 利要求1所述的测量油/水双相流体系中金属表面润湿状态的装置，其特征在于:所述体积流量计为椭圆齿轮流量计；所述流速调节阀为不锈钢球阀；所述循环泵为管道离心泵。
9.一种用权利要求1-8任一所述的装置测量油/水双相流体系中金属表面润湿状态的方法，其特征在于:包括如下步骤: 1)将试验液体倒入储液罐中，开动循环泵，待试验液体油/水双相混合并在整个装置中平稳循环流动； 2)给信号处理及显示线路加电，发光二极管开始闪烁； 3)调节流速调节阀，使体积流量计显示的试验液体流速达到设定值； 4)待发光二极管的工作状态稳定后，记录导通的发光二极管的数量； 5)重复步骤3)、4)，直至完成所有设定流速下的测量工作； 6)根据公式:水润湿百分比=(导通的发光二极管数量/传感器的数量)X100%，得到试验样品表面的水 润湿百分比。
全文摘要
本发明公开了一种测量油/水双相流体系中金属表面润湿状态的装置及方法，属于金属表面油/水润湿状态的测量领域。本发明装置包括储液罐、体积流量计、循环泵、流速调节阀、圆盘分水器、样品槽、试验样品、微型电导传感器和信号处理及显示线路。该装置利用镶嵌在试验样品表面的微型电导传感器测量探头附近金属表面液膜的电导率，由于油与水的电导率存在显著差别，测量结果可以反映探头附近金属表面的润湿状态。大量微型电导传感器测得的信号用发光二极管来显示，从而获得试验样品表面水润湿(或油润湿)所占百分比。本发明能够实现对不同成分的油/水双相流体在不同流速下金属表面润湿状态的测量。
文档编号G01N13/00GK103207133SQ20121000758
公开日2013年7月17日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者段德莉, 李曙, 胡紫阳, 易凡, 侯思焓, 张荣禄, 王鹏 申请人:中国科学院金属研究所