一种带压溶气原油乳化测粘一体化设备及测粘方法与流程

本发明涉及非常规原油开采输送领域，特别是涉及一种用于带压溶气原油乳化特性测试及粘度测量一体化设备，其特征是可在高压气体存在条件下进行原油与水相的乳化及在线粘度测量。本发明还涉及利用该设备进行粘度测量的具体方法。

背景技术：

目前，国内油田开采逐渐进入中后期，但日益增长的需求量要求油田必须提高采收率。为此，各种强化采油技术被采用，如化学驱、气驱、热力采油和微生物采油等。其中，气驱采油包括混相或部分混相的CO₂驱、N₂驱、天然气驱和烟道气驱等，其优势十分明显，表现为：①膨胀原油体积，增加液体动能，提高驱油效率；②降低原油粘度，增加原油流动能力；③降低油水界面张力，从而降低残余油饱和度；④溶解气驱作用，占据孔隙空间，驱替原油。

在油藏中经过气驱的采出液，要经过井筒到达地面，然后经地面集输系统到达联合站，进行油气水的分离及处理。在输送过程中经过井筒、油嘴、阀件、机泵时，会受到搅拌剪切作用，原油与水相之间往往会形成油包水型原油乳状液。而气驱采出液中气体的存在，会对原油的乳化特性、采出液的粘度产生影响，从而进一步影响到集输工艺。

因此，需要一种装置和一种粘度测量方法，能够模拟原油与水相在高压溶气条件下的乳化特性，并对溶气后原油、原油乳状液进行在线实时测粘。然而，目前现有的高压反应釜装置，只能实现高压溶气原油的制备，无法实现乳化特性的监测和粘度的实时测量。

技术实现要素：

鉴于此，本发明所要解决的技术问题，是提供一种能同时完成带压溶气原油乳化和测粘的一体化设备及其配套的测粘方法，用于模拟气驱采出液在过泵、阀门时的乳化特性，以及在管道中流动时的粘度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

所述的一种带压溶气原油乳化测粘一体化设备，包括：供气加压装置、高压反应装置、搅拌装置、测量装置和控温装置。所述供气加压装置包括：气瓶、环形盘管、活塞式气罐和手动计量泵；所述高压反应装置包括：高压反应釜釜体、高压反应釜顶盖；所述搅拌装置包括：高速搅拌电机、磁力耦合传动器、搅拌桨；所述测量装置包括：压力传感器、温度传感器、微量程扭矩测量仪、电导率仪、集中数显程控仪；所述控温装置包括：环形盘管控温系统、活塞式气罐控温系统和反应釜釜体控温系统。所述气瓶与所述活塞式气罐连接，所述活塞式气罐与所述手动计量泵连接，通过所述手动计量泵调节所述活塞式气罐内的压力。所述活塞式气罐与所述高压反应釜连接，通过所述手动计量泵将所述活塞式气罐内的气体注入釜体内，通过所述反应釜釜体控温系统调节所述高压反应釜内的温度。通过所述高速搅拌电机、所述磁力耦合传动器和所述搅拌桨实现注入气体与预先加入所述高压反应釜釜体内的原油与水的混合与乳化，通过所述微量程扭矩测量仪实现搅拌扭矩的实时记录，通过所述电导率仪实现乳化状态的实时监测。

一种带压溶气原油粘度测量方法，包括下述步骤：

1、空转扭矩刨除：所述高压反应釜内先不加样品，设置所述搅拌桨在不同转速空转，利用所述微量程扭矩测量仪测试此时的空转扭矩，获得空转扭矩与转速之间的定量关系。该扭矩为所述磁力耦合传动器在传动过程中耗损的扭矩与所述反应釜内空气阻力产生的扭矩之和，在后续实验过程中需要刨除。

2、建立粘度与搅拌轴扭矩之间的关系：对于打漩现象不明显的流场，在某一恒定转速时，受搅拌流体的粘度与搅拌轴扭矩之间存在关系：μ＝aM^b。其中，μ为流体粘度，Pa·s；M为作用在搅拌轴上的扭矩，N·m；a、b是参数。对于固定的搅拌系统，使用若干种已知粘度的流体，在一定转速下测量搅拌扭矩，即可确定该转速下的粘度与扭矩的关系式。

3、建立剪切率与转速和粘度之间的关系：根据能量耗散率与剪切率的关系，所述反应釜内的流体平均剪切率可表示为：其中，为流体平均剪切率，s^-1；M为作用在搅拌轴上的扭矩，N·m；n为转速，r/s；μ为流体粘度，Pa·s；V为所述反应釜内流体体积，m³。

4、计算高压反应釜内溶气流体的粘度和平均剪切率：利用所述微量程扭矩测量仪测量不同转速时溶气流体的搅拌扭矩，根据所述粘度与扭矩之间关系式，得到不同转速时的流体粘度。根据所述平均剪切率与转速和粘度之间的关系式，计算相应搅拌转速时的平均剪切率。

5、改变转速，重复所述步骤4，得到一系列粘度-平均剪切率关系，从而确定溶气流体的流变曲线。

所述环形盘管控温系统、活塞式气罐控温系统和反应釜釜体控温系统为控温循环水浴，控温循环水浴中所用冷媒为水与乙醇的混合物，水与乙醇的配比为水︰乙醇＝(3～7)︰1，优选地，水︰乙醇＝5︰1，控温循环水浴中所用热媒为水与丙三醇的混合物，水与丙三醇的配比为水︰丙三醇＝(4～8)︰1，优选地，水︰丙三醇＝6︰1。

优选地，所述高压反应釜内部构造采用环空结构，顶部可拆卸，且顶部采用线性密封。

在以上所述设备和方法的基础上，本发明实现溶气原油乳化及粘度测量的具体步骤如下：

1、原油与水相预加注：按照设定的油水比例，向所述高压反应釜内预先加注总体积为300mL的原油和水相，并按照所需温度，利用所述反应釜釜体控温系统对所述高压反应釜进行控温。

2、气体扫线：利用所述气瓶对所述活塞式气罐和所述高压反应釜进行吹扫。

3、气体加注与混合：利用所述手动计量泵，将所述活塞式气罐内的气体注入到所述高压反应釜内，直至达到所需压力。

4、带压溶气原油乳化特性测量：首先，通过扭矩来表征乳化是否达到平衡。通过所述数显程控仪设置所述搅拌电机的转速为1000rpm以上，从高速搅拌初始时刻开始，观察所述扭矩测量仪的示数，随着乳化的进行，釜内混合液粘度增大，所述扭矩测量仪的示数应该表现为上升趋势，待乳化达到平衡后，扭矩逐渐达到稳定。其次，利用电导率法表征原油乳化程度。利用所述高压反应釜上加装的所述电导率仪，监测在整个搅拌过程中溶气混合液的导电情况，通过电导率参数的演化来反映原油乳化程度。再次，取样观察。通过所述高压反应釜的取样口将乳状液取出，观察乳状液的分水特性。

5、溶气原油乳状液粘度测量：通过所述数显程控仪降低所述搅拌电机的转速，根据所述测粘方法，测定在不同剪切率时溶气乳状液的粘度，得到流变曲线。

本发明的有益效果是：适用于不同温度和压力条件下，模拟油田气驱采出液在井筒和管道中的乳化和输送，同时也可模拟油藏条件下超临界CO₂对原油的降粘效果。本发明所述实验设备体积小，所需实验油样、水样少，实验设备成本低，可实现乳化过程的表征，以及粘度的实时测量，能够较好地模拟溶气原油的乳化和采油、集输过程的粘度变化。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明所提供的带压溶气原油乳化和测粘的一体化设备示意图。

图2为本发明所述搅拌装置的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述，应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

实施例1：如图1和图2所示的一种带压溶气原油乳化测粘一体化设备，包括：气瓶1、环形盘管2、活塞式气罐3、手动计量泵4、高压反应釜釜体5、高速搅拌电机6、微量程扭矩测量仪7、磁力耦合传动器8、搅拌桨9、环形盘管控温系统10、活塞式气罐控温系统11、反应釜釜体控温系统12、温度传感器13、压力传感器14、压力表15、集中数显程控仪16、气瓶阀门17、气罐进气阀门18、气罐泄压阀门19、气罐出气阀门20、反应釜进气阀门21、反应釜排气阀门22、取样阀门23、泵前阀门24、活塞加压阀门25、电导率仪26、活塞27、扭矩测量仪上部联轴器28、扭矩测量仪下部联轴器29、高压反应釜顶盖30。其中，气瓶1、气瓶阀门17、压力表15、环形盘管2、气罐进气阀门18、活塞式气罐3、活塞27、气罐泄压阀门19、气罐出气阀门20、泵前阀门24、活塞加压阀门25和手动计量泵4构成供气加压装置；高压反应釜釜体5、高压反应釜顶盖30、反应釜进气阀门21、反应釜排气阀门22和取样阀门23组成高压反应装置；高速搅拌电机6、扭矩测量仪上部联轴器28、扭矩测量仪下部联轴器29、磁力耦合传动器8和搅拌桨9组成搅拌装置；温度传感器13、压力传感器14、微量程扭矩测量仪7、集中数显程控仪16和电导率仪26构成测量装置；环形盘管控温系统10、活塞式气罐控温系统11和反应釜釜体控温系统12构成控温装置。

所述气瓶1经过所述环形盘管2与所述活塞式气罐3连接，所述活塞式气罐3分别与所述手动计量泵4和所述高压反应釜5连接，所述高压反应釜顶盖30上分别接有反应釜进气阀门21、反应釜排气阀门22、取样阀门23、温度传感器13、压力传感器14、电导率仪26、磁力耦合传动器8，所述磁力耦合传动器8分别与釜内外的搅拌轴连接，所述微量程扭矩测量仪7分别通过所述扭矩测量仪上部联轴器28、所述扭矩测量仪下部联轴器29与所述高速搅拌电机6和所述磁力耦合传动器8连接，所述温度传感器13、所述压力传感器14、所述微量程扭矩测量仪7的测量值通过所述集中数显程控仪16显示，所述高速搅拌电机6的转速通过所述集中数显程控仪16控制和显示，所述环形盘管控温系统10、活塞式气罐控温系统11、反应釜釜体控温系统12分别对所述环形盘管2、所述活塞式气罐3、所述高压反应釜5进行控温。所述环形盘管控温系统10、活塞式气罐控温系统11和反应釜釜体控温系统12均为控温循环水浴，所述环形盘管控温系统10中所用冷媒为水︰乙醇＝5︰1的混合物，所述活塞式气罐控温系统11和反应釜釜体控温系统12所用热媒为水︰丙三醇＝6︰1的混合物。

从上述结构可以看出本发明的设计原理为：利用气瓶、活塞式气罐、手动计量泵和高压反应釜实现气体的加压和注入，利用搅拌电机实现溶气原油与水的乳化，利用扭矩仪和粘度-扭矩关系实现粘度的测量，利用电导率仪实现乳化状态的监测，这样可解决溶气原油在高压条件下乳化和对粘度进行实时测量的工程问题。

实验开始前，保持气瓶阀门17、气罐进气阀门18、气罐泄压阀门19、气罐出气阀门20、反应釜进气阀门21、反应釜排气阀门22、取样阀门23、泵前阀门24、活塞加压阀门25均处于关闭状态。

空转扭矩刨除：利用所述集中数显程控仪16控制所述高速搅拌电机6，从转速50rpm开始，以50rpm的间隔增加，一直增加至1200rpm，在每一个转速处，记录所述微量程扭矩测量仪7的示数，该扭矩为在各转速测混合液粘度时应当刨除的扭矩。

实验装置的粘度-扭矩标定：选择5种粘度已知的牛顿流体，标记为A、B、C、D、E，将所述高压反应釜顶盖30拆卸，向所述高压反应釜釜体5内加入300mL流体A，将所述高压反应釜顶盖30安装至所述高压反应釜釜体5并密封，利用所述集中数显程控仪16控制所述高速搅拌电机6，从转速50rpm开始，以50rpm的间隔增加，一直增加至400rpm，在每一个转速处，记录所述微量程扭矩测量仪7的示数，将该扭矩示数减去所述空转扭矩示数，得到流体A在各转速的实际扭矩，对流体B、C、D、E进行相同实验步骤，得到5种流体在各转速的实际扭矩，根据公式μ＝aM^b，拟合在各不同转速时的粘度-扭矩关系，得到不同转速下的a、b值。

加注原油与水：先将所述高压反应釜顶盖30拆卸，向所述高压反应釜釜体5内加入200mL原油和100mL水，将所述高压反应釜顶盖30安装至所述高压反应釜釜体5并密封，利用所述反应釜釜体控温系统12对所述高压反应釜釜体5加热升温至60℃。

气体扫线：打开气瓶阀门17、气罐进气阀门18、气罐泄压阀门19，调节气罐泄压阀门19的开度，对所述活塞式气罐3进行清扫，关闭气罐泄压阀门19，打开气罐出气阀门20、反应釜进气阀门21、反应釜排气阀门22，对所述高压反应釜5内气体进行清扫，顺序关闭反应釜排气阀门22、反应釜进气阀门21、气罐出气阀门20、气罐进气阀门18、气瓶阀门17。

气体加压：打开泵前阀门24、活塞加压阀门25、气罐泄压阀门19，利用所述手动计量泵4将所述活塞式气罐3内的活塞27升至气罐顶端，关闭气罐泄压阀门19，打开气瓶阀门17、气罐进气阀门18，利用所述手动计量泵4缓慢降低所述活塞式气罐3内活塞27的高度，实现所述活塞式气罐3内气体的充注，顺序关闭气罐进气阀门18和气瓶阀门17，利用所述手动计量泵4对所述活塞式气罐3内气体升压至10MPa，利用所述活塞式气罐控温系统11对所述活塞式气罐3加热升温至60℃。

气体的加注与乳化：打开气罐出气阀门20、反应釜进气阀门21，利用所述手动计量泵4举升所述活塞式气罐3内所述活塞27，向所述高压反应釜5注气至10MPa，顺序关闭反应釜进气阀门21、气罐出气阀门20，利用所述集中数显程控仪16控制所述高速搅拌电机6以1000r/min的搅拌速率对所述高压反应釜5内的溶气原油与水进行乳化，记录搅拌过程中所述微量程扭矩测量仪7和所述电导率仪26的示数变化，两者示数达到稳定后，关闭所述高速搅拌电机6，缓慢打开取样阀门23，将所述高压反应釜5中的乳状液取出50mL至比色管中，关闭取样阀门23，通过静置观察乳状液的稳定性。

乳状液粘度测量：利用所述集中数显程控仪16控制所述高速搅拌电机6，从转速50rpm开始，以50rpm的间隔增加，一直增加至400rpm，在每一个转速处，记录所述微量程扭矩测量仪7的示数，将该扭矩示数减去所述空转扭矩示数，得到乳状液在各转速的实际扭矩，根据公式μ＝aM^b以及各转速得到的a、b值，计算在不同转速时乳状液的粘度，然后根据公式计算各粘度对应的剪切率，绘制粘度-剪切率流变曲线。

测量完成，打开气罐泄压阀门19、反应釜排气阀门22，对所述活塞式,气罐3和所述高压反应釜5进行泄压，对所述高压反应釜5进行拆卸，利用石油醚对所述高压反应釜5和所述高压反应釜顶盖30进行清洗，将所述高压反应釜顶盖30与所述高压反应釜5密封，关闭所有阀门。

实施例2：实验开始前，保持气瓶阀门17、气罐进气阀门18、气罐泄压阀门19、气罐出气阀门20、反应釜进气阀门21、反应釜排气阀门22、取样阀门23、泵前阀门24、活塞加压阀门25均处于关闭状态。

空转扭矩刨除：利用所述集中数显程控仪16控制所述高速搅拌电机6，从转速50rpm开始，以50rpm的间隔增加，一直增加至1200rpm，在每一个转速处，记录所述微量程扭矩测量仪7的示数，该扭矩为在各转速测混合液粘度时应当刨除的扭矩。

实验装置的粘度-扭矩标定：选择5种粘度已知的牛顿流体，标记为A、B、C、D、E，将所述高压反应釜顶盖30拆卸，向所述高压反应釜釜体5内加入300mL流体A，将所述高压反应釜顶盖30安装至所述高压反应釜釜体5并密封，利用所述集中数显程控仪16控制所述高速搅拌电机6，从转速50rpm开始，以50rpm的间隔增加，一直增加至400rpm，在每一个转速处，记录所述微量程扭矩测量仪7的示数，将该扭矩示数减去所述空转扭矩示数，得到流体A在各转速的实际扭矩，对流体B、C、D、E进行相同实验步骤，得到5种流体在各转速的实际扭矩，根据公式μ＝aM^b，拟合在各不同转速时的粘度-扭矩关系，得到不同转速下的a、b值。

原油加注：先将所述高压反应釜顶盖30拆卸，向所述高压反应釜釜体5内加入300mL原油，将所述高压反应釜顶盖30安装至所述高压反应釜釜体5并密封，利用所述反应釜釜体控温系统12对所述高压反应釜釜体5加热升温至80℃。

CO₂气体扫线：打开气瓶阀门17、气罐进气阀门18、气罐泄压阀门19，调节气罐泄压阀门19的开度，对所述活塞式气罐3进行清扫，关闭气罐泄压阀门19，打开气罐出气阀门20、反应釜进气阀门21、反应釜排气阀门22，对所述高压反应釜5内气体进行清扫，顺序关闭反应釜排气阀门22、反应釜进气阀门21、气罐出气阀门20、气罐进气阀门18、气瓶阀门17。

CO₂液化：打开气罐泄压阀门19、泵前阀门24、活塞加压阀门25，利用所述手动计量泵4将所述活塞式气罐3内活塞升至气罐顶端，关闭阀19，利用所述环形盘管控温系统10对所述环形盘管2制冷降温至0℃，打开气瓶阀门17、气罐进气阀门18，利用所述手动计量泵4缓慢降低所述活塞式气罐3内的活塞的高度，实现所述活塞式气罐3内液态二氧化碳的充注，顺序关闭阀18和阀17。

实现CO₂超临界态：利用所述手动计量泵4对所述活塞式气罐3内液态二氧化碳升压至25MPa，利用所述活塞式气罐控温系统11对所述活塞式气罐3加热升温至80℃，通过所述手动计量泵4对升温过程中所述活塞式气罐3内的压力变化进行调节。

超临界CO₂的加注与混合：打开气罐出气阀门20、反应釜进气阀门21，利用所述手动计量泵4举升所述活塞式气罐3内所述活塞27，向所述高压反应釜5注入超临界CO₂至压力达到25MPa，顺序关闭反应釜进气阀门21、气罐出气阀门20，利用所述集中数显程控仪16控制所述高速搅拌电机6以180rpm的搅拌速率对所述高压反应釜5内的原油与超临界CO₂进行混合，记录搅拌过程中所述微量程扭矩测量仪7的示数变化，直至示数达到稳定。

溶超临界CO₂原油粘度测量：利用所述集中数显程控仪16控制所述高速搅拌电机6，从转速50rpm开始，以50rpm的间隔增加，一直增加至400rpm，在每一个转速处，记录所述微量程扭矩测量仪7的示数，将该扭矩示数减去所述空转扭矩示数，得到乳状液在各转速的实际扭矩，根据公式μ＝aM^b以及各转

速得到的a、b值，计算在不同转速时乳状液的粘度，然后根据公式计算各粘度对应的剪切率，绘制粘度-剪切率流变曲线。

测量完成，打开气罐泄压阀门19、反应釜排气阀门22，对所述活塞式气罐3和所述高压反应釜5进行泄压，对所述高压反应釜5进行拆卸，利用石油醚对所述高压反应釜5和所述高压反应釜顶盖30进行清洗，将所述高压反应釜顶盖30与所述高压反应釜5密封，关闭所有阀门。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明的技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许改动或修饰而不脱离本发明的精神和范围，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化或修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。