本发明属于石油石化领域的超声学测量装置和方法，具体的说，涉及一种对重质油稳定性进行表征、测量的装置及方法。
背景技术：
在石油化工科研、生产过程中，石油产品、尤其是重质油体系的稳定性检测具有重要的意义。重质油体系是胶体系统，其中分散相由沥青质和其表面或内部吸附的部分可溶质构成，分散介质则由余下的可溶质构成。由于重质油产品非常粘稠、透光性极低，很难表征其稳定性；现有的方法，通常采用正构烷烃作为沉淀剂，在重质油中加入正构烷烃，对重质油样品进行稀释，研究利用沉淀剂破坏重质油稳定性，以体系出现稳定性崩溃、出现沥青质聚沉时加入的正构烷烃与重质油的重量比例(正构烷烃/重质油油样)作为重质油的胶体稳定性参数，但目前尚没有表征重质油稳定性的胶体稳定性参数标准。
由于重质油透光率低，对其中产生沥青质沉淀的观察及其不便，判断重质油是否稳定通常还采用滴扩散法，取重质油在试纸上进行滴定试验，观察试纸上是否有絮凝发生，以此判断重质油是否稳定。该方法较为简便，但缺点是需要靠人的主观观察。
重质油胶体稳定性的改善有助于提高重质油的储运和加工性能，目前往往采用向重质油中加入添加剂来改善体系的胶体稳定性，因此需要对含有添加剂的重质油体系的稳定性进行表征。当使用极性添加剂时，由于添加剂本身具有导电性，会干扰重质油中沥青质导电性的测试，此时电学表征方法(如质量分数电导率)将不再适用。因此需要新的重质油稳定性表征方法。
综上所述，目前尚没有一种可直接、快速、直观地对含导电性添加剂的重质油稳定性进行表征的方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种重质油稳定性表征的装置及方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种重质油稳定性表征的装置，所述装置包含：
一个固定杆；
一个控温系统；
一个带有恒温夹套的样品管，所述样品管上方设有上超声波探头，下方设有下超声波探头，所述上超声波探头固定在所述固定杆上；所述恒温夹套上端和下端均设有开口，所述恒温夹套通过所述开口与所述控温系统相连接；
两个超声波发射接收仪，所述两个超声波发射接收仪分别连接所述上超声波探头和所述下超声波探头；以及
两个示波器，所述两个示波器分别与所述两个超声波发射接收仪相连接。
进一步的，能够通过固定杆调节上超声波探头的位置。
进一步的，所述上超声波探头和所述下超声波探头的频率为100KHz至10MHz。
进一步的，所述超声波发射接收仪包括发射体和反射体，所述发射体和所述反射体正向相对放置，所述发射体和所述反射体之间的距离为0.2至20cm。
进一步的，所述反射体为不锈钢圆柱体。
进一步的，所述控温系统为恒温水槽，恒温水槽内的恒温介质为水。
为实现上述目的，本发明还提供了一种重质油稳定性表征的方法，利用上述装置进行表征，包括以下步骤：
步骤一，将重油样品装入样品管；
步骤二，将上超声波探头和下超声波探头分别接到超声波发射接收仪上；
步骤三，将控温系统设定到所需温度；
步骤四，当达到设定的加热温度后，将样品管静置、恒温15分钟以上，使样品管内的重油样品达到平衡状态，测定上超声波探头和下超声波探头所检测到的超声波信号数据；
步骤五，进行样品管上层和下层重质油油样的稳定性计算：取所测得的样品管上层和样品管下层超声波信号振幅值的差与样品管上层和样品管下层超声波信号数值的和的平均值之间的比来衡量样品管内重质油在设定加热温度下的稳定性。
进一步的，重油样品量为500～1500ml。
进一步的，测量温度范围为35℃～55℃。
本发明的有益效果是：
(1)本发明克服了现有产品对含有导电性添加剂的重质油不能直接进行稳定性测定的不足，提供了一种快速、直接表征重质油稳定性的方法。依据重质油静置条件下上下层的体系组成将发生改变，因而上下层超声波信号也将产生差异的本质特征，对重质油上下层的声学性质进行测定、比对，从而表征重质油体系稳定性。本研究实现了在一定温度下，直接、快速利用声学测量方法表征重质油稳定性。
(2)测试温度对重质油体系的声学性质(如声速、衰减等)具有显著影响。因此本发明设计了可对上下层体系进行加温及控制的加热系统，加热系统中设置有检测温度的装置和控制温度的装置，从而实现对体系的温度进行精确控制，使测试体系的上、下层的温度相同，使用本装置可便利的实现对不同温度下，在不加正构烷烃稀释的情况下，实现对重质油稳定性的直接表征。
(3)该装置还可以实现在线实时跟踪监测。
附图说明
图1为本发明所述的重质油稳定性表征的装置的结构示意图。
图2为质量分数电导率法表征油砂沥青的表征图。
图3为质量分数电导率法表征含有导电性添加剂的油砂沥青的表征图。
其中，附图标记
1、控温系统
2、固定杆
3、上超声波探头
4、下超声波探头
5、超声波发射接收仪
6、示波器
7、恒温夹套
8、开口
具体实施方式
为了对本发明进行进一步的说明，特列举以下实施例，但本发明并不仅限于实施例。
本发明提供了一种重质油稳定性表征的装置，所述装置包含：
一个固定杆；
一个控温系统；
一个带有恒温夹套的样品管，所述样品管上方设有上超声波探头，下方设有下超声波探头，所述上超声波探头固定在所述固定杆上；所述恒温夹套上端和下端均设有开口，所述恒温夹套通过所述开口与所述控温系统相连接；
两个超声波发射接收仪，所述两个超声波发射接收仪分别连接所述上超声波探头和所述下超声波探头；以及
两个示波器，所述两个示波器分别与所述两个超声波发射接收仪相连接。
进一步的，能够通过固定杆调节上超声波探头的位置。
进一步的，所述上超声波探头和所述下超声波探头的频率为100KHz至10MHz。
进一步的，所述超声波发射接收仪包括发射体和反射体，所述发射体和所述反射体正向相对放置，所述发射体和所述反射体之间的距离为0.2至20cm。
进一步的，所述反射体为不锈钢圆柱体。
进一步的，所述控温系统为恒温水槽，恒温水槽内的恒温介质为水。
本发明还提供了一种重质油稳定性表征的方法，利用上述装置进行表征，包括以下步骤：
步骤一，将重油样品装入样品管；
步骤二，将上超声波探头和下超声波探头分别接到超声波发射接收仪上；
步骤三，将控温系统设定到所需温度；
步骤四，当达到设定的加热温度后，将样品管静置、恒温15分钟以上，使样品管内的重油样品达到平衡状态，测定上超声波探头和下超声波探头所检测到的超声波信号数据；
步骤五，进行样品管上层和下层重质油油样的稳定性计算：取所测得的样品管上层和样品管下层超声波信号振幅值的差与样品管上层和样品管下层超声波信号数值的和的平均值之间的比(即差异的相对量)来衡量样品管内重质油在设定加热温度下的稳定性。当上下层的超声波信号相对差异值小于等于20％时，表明上下层差异较小，为稳定系统；当上下层的超声波信号相对差异值大于20％时，表明上下层差异较大，体系为不稳定系统。
进一步的，重油样品量为500～1500ml。
进一步的，测量温度范围为35℃～55℃。
本发明中使用反射法原理：同一个超声波发射器探头同时充当接收器探头，在超声波发射器探头前面放置一个不锈钢圆柱体，将超声波信号反射回来，由超声波接收探头接收，并返回到示波器。
重质油油样上下层超声波信号差异比率的计算方法为超声波反射波振幅相对差异比率等于超声波发射接收仪5所测得的上超声波探头3的超声波反射波测量值与下超声波探头4的超声波反射波测量值的差的绝对值除以上超声波探头3的超声波反射波测量值与下超声波探头4的超声波反射波测量值的和的平均值。计算公式如下：
G1——上超声波探头3的超声波反射波测量值
G2——下超声波探头4的超声波反射波测量值
|G1-G2|体现了样品管上层和样品管下层之间超声波反射波的差异性。为样品管上层和样品管下层之间超声波信号值的平均值。Δ数值体现了油样上下层差异对油样上下层超声波反射波平均值的相对比例。Δ数值越小，表明油样上下层的差异越小，即油样为稳定体系，没有出现体系分层；Δ数值越大，表明油样上下层的差异越大，即油样为不稳定体系，出现了体系分层现象。
取相同的油样，加热到相同的温度，采用本发明的试验方法与已经广泛使用的滴扩散法进行比较。
滴扩散法的具体做法为：将重质油搅拌均匀，取一滴滴在滤纸中心，液滴将扩散为圆形。如果该扩散在扩散形状及颜色强度上是一致的，表明重质油较稳定；当重质油中沥青质含量较高时，滤纸上将出现沥青质絮凝，扩散体中间为一深黑色圆形，外面为一浅色圆。
通过将本发明方法与滴扩散法相比较，确定了表征重质油胶体的稳定性标准：油样上层和油样下层超声波振幅相对差异比例小于等于20％，表明该体系的上、下层的超声波信号差异较小，则认为重质油体系相对较稳定，若油样上层和油样下层超声波振幅相对差异比例大于20％，表明该体系的上、下层的超声波信号差异较大，则认为重质油体系不稳定。
选取已经用滴扩散法研究了稳定性的油砂沥青A、B、C、D四种油样，其中A、B为稳定油样，C、D为不稳定油样。
实施例1
一种重质油稳定性表征的装置，包括样品管(图中为画出)，样品管上设置有恒温夹套7，恒温夹套7连接有控温系统1，样品管的上方和下方分别设置有上超声波探头3和下超声波探头4，上超声波探头3和下超声波探头4分别通过连接线连接到相同型号的超声波发射接收仪5上，并将超声波发射接收仪5接收到的信号传送至示波器6，对接收到的超声波信号进行解析，解析的参数包括声速、振幅。下超声波探头4安置在样品管的底部；上超声波探头3固定在固定杆2上，上超声波探头3的位置可以通过固定杆2来进行调节，将探头4置于样品溶液上层处，使溶液恰好浸没探头。上、下超声波探头的频率均为100KHz；超声波发射、反射体之间正向相对放置，超声波发射、反射体之间的距离为0.2cm；反射体采用不锈钢圆柱体；控温系统1为恒温水槽，恒温水槽内的恒温介质为水，由恒温夹套7下端的开口8进入恒温夹套7，由恒温夹套7上端的开口8流出恒温夹套7，恒温夹套7内始终充满恒温介质；
取重质油油样A500ml装入样品管中。通过恒温水槽设定加热温度35℃，通过恒温夹套7上下端的开口8可实现加热的液体在恒温水槽和恒温夹套7之间的流动，保持样品管外围恒温夹套7内液体的温度与恒温水槽内设定的温度相同，从而实现样品管内重质油油样的加热和恒温处理。
试验采用了对样品管在设定的温度下进行恒温15分钟处理，分别读取上超声波探头3和下超声波探头4所连接的超声波发射接收仪5上的数据，数据传输到示波器6进行处理和读取。
表1
实施例2
一种重质油稳定性表征的装置，包括样品管，样品管上设置有恒温夹套7，恒温夹套7连接有控温系统1，样品管的上方和下方分别设置有上超声波探头3和下超声波探头4，上超声波探头3和下超声波探头4分别通过连接线连接到相同型号的超声波发射接收仪5上，并将超声波发射接收仪5接收到的信号传送至示波器6，对接收到的超声波信号进行解析，解析的参数包括声速、振幅。下超声波探头4安置在样品管的底部；上超声波探头3固定在固定杆2上，上超声波探头3的位置可以通过固定杆2来进行调节。上、下超声波探头的频率均为10MHz；超声波发射、反射体之间正向相对放置，超声波发射、反射体之间的距离为5cm；反射体采用不锈钢圆柱体；控温系统1为恒温水槽，恒温水槽内的恒温介质为水，由恒温夹套7下端的开口8进入恒温夹套7，由恒温夹套7上端的开口8流出恒温夹套7，恒温夹套7内始终充满恒温介质；
取重质油油样B1500ml装入样品管中。通过恒温水槽设定加热温度45℃，通过恒温夹套7上下端的开口8可实现加热的液体在恒温水槽和恒温夹套7之间的流动，保持样品管外围恒温夹套7内液体的温度与恒温水槽内设定的温度相同，从而实现样品管内重质油油样的加热和恒温处理。
试验采用了对样品管在设定的温度下进行恒温15分钟处理，分别读取上超声波探头3和下超声波探头4所连接的超声波发射接收仪5上的数据，数据传输到示波器6进行处理和读取。
表2
实施例3
一种重质油稳定性表征的装置，包括样品管，样品管上设置有恒温夹套7，恒温夹套7连接有控温系统1，样品管的上方和下方分别设置有上超声波探头3和下超声波探头4，上超声波探头3和下超声波探头4分别通过连接线连接到相同型号的超声波发射接收仪5上，并将超声波发射接收仪5接收到的信号传送至示波器6，对接收到的超声波信号进行解析，解析的参数包括声速、振幅。下超声波探头4安置在样品管的底部；上超声波探头3固定在固定杆2上，上超声波探头3的位置可以通过固定杆2来进行调节。上、下超声波探头的频率均为1MHz；超声波发射、反射体之间正向相对放置，超声波发射、反射体之间的距离为20cm；反射体采用不锈钢圆柱体；控温系统1为恒温水槽，恒温水槽内的恒温介质为水，由恒温夹套7下端的开口8进入恒温夹套7，由恒温夹套7上端的开口8流出恒温夹套7，恒温夹套7内始终充满恒温介质；
分别取重质油油样A、B、C、D各1000ml分别装入四只样品管中。通过恒温水槽设定加热温度55℃，通过恒温夹套7上下端的开口8可实现加热的液体在恒温水槽和恒温夹套7之间的流动，保持样品管外围恒温夹套7内液体的温度与恒温水槽内设定的温度相同，从而实现样品管内重质油油样的加热和恒温处理。
试验采用了对样品管在设定的温度下进行恒温20分钟处理，分别读取上超声波探头3和下超声波探头4所连接的超声波发射接收仪5上的数据，数据传输到示波器6进行处理和读取。
表3给出了实施例3中将油样A、B、C、D经恒温20分钟，记录了所测得的样品管中上超声波探头3和下超声波探头4所测得油样的超声波信号值，并进行了相应的计算和判断。
表3
结果表明：
A和B为稳定油样，上下层的相对差异值小于20％；
C和D为不稳定油样，上下层的相对差异值大于20％；
因而20％可以作为判定阈值：
当上下层的超声波信号相对差异值小于等于20％时，表明上下层差异较小，为稳定系统；
当上下层的超声波信号相对差异值大于20％时，表明上下层差异较大，体系为不稳定系统。
由表1～3可见，采用本发明所建立的试验装置，可以实现对稳定重质油产品、不稳定重质油样品的胶体稳定性的表征，表征结果与采用本研究领域广泛接受的滴扩散法的表征结果一致。表明本发明是可行的。
而且本方法由超声波信号进行表征，易于实现信号传输和自动控制；同时，该方法与以往的质量分数电导率表征方法相比，不需要在油样中加入溶剂进行稀释，实现了对样品的直接表征，结果更加接近油品的真实状态。
实施例4
选取含有添加剂的E、F、G样品，首先用滴扩散法研究稳定性，发现E为稳定样品；F和G为不稳定样品。
完全按照实施例3中的步骤和方法，得到E、F、G三种重质油油样上层和下层的超声波信号值，对重质油油样上下层超声波信号差异比率进行计算。
本实施例与之前实施例不同的是，E、F、G样品含有一定量的离子型表面活性剂——十二烷基苯磺酸钠，在此情况下，由于十二烷基苯磺酸钠具有一定的导电性，不能利用质量分数电导率法来对样品的胶体稳定性进行表征，利用本发明建立的超声波法进行了表征，结果发现，即使样品中含有导电性表面活性剂，依然可以利用本发明建立的超声波法进行表征：
表4
利用滴扩散法研究表明：E为稳定样品；F和G为不稳定样品。
当油样为稳定样品时，上下层的超声波信号的差异小于20％；
当油样为不稳定样品时，上下层的超声波信号的差异大于20％。
即该方法的研究表明：E为稳定样品；F和G为不稳定样品。与滴扩散法的结果一致。
当采用质量分数电导率法表征时，油砂沥青的表征图见图1，含有导电性添加剂的油砂沥青的表征图见图2。
由图1可见，当向油砂沥青中加入正庚烷，体系的粘度下降，体系的质量分数电导率升高；当正庚烷比例为1.8倍时，体系中沥青质聚沉而导致的质量分数电导率下降程度大于体系粘度的影响，因而体系的质量分数电导率出现下降，该(正庚烷/油样)比例可以作为体系的胶体稳定性参数。因为体系越稳定，破坏该体系的稳定性需要加入更大比例的正庚烷，因而出现质量分数电导率最大值时的(正庚烷/油样)比例可以作为该油样的胶体稳定性参数。
由图2可见，对于加入了导电性添加剂的油砂沥青样品，由于体系中含有导电性的添加剂，因而在用正庚烷稀释样品的过程中，体系的导电性除了来自于油样外，还有部分来自于导电性添加剂的贡献，而且添加剂不会因为加入正庚烷而出现聚沉，因此会给质量分数电导率法带来差异：由图2可见，随着正庚烷的加入，没有出现质量分数电导率的最大值，即用质量分数电导率不能表征含有电导率添加剂的油样。
可见，本发明优于以往的表征方法(质量分数电导率法和滴扩散法)，可以实现对油品的直接表征，对于含有添加剂的体系也仍然适用。当前，在石油开采、储运过程中，为了增加采收率、改善油品的流动性能，往往要加入各种添加剂(如表面活性剂)；在石油性能研究中，往往要探索添加剂对体系稳定性的影响，在此情况下，不能使用以往的表征方法(质量分数电导率法)，而可以利用本发明的方法进行表征。
本发明的有益效果是：
(1)本发明克服了现有产品对含有导电性添加剂的重质油不能直接进行稳定性测定的不足，提供了一种快速、直接表征重质油稳定性的方法。依据重质油静置条件下上下层的体系组成将发生改变，因而上下层超声波信号也将产生差异的本质特征，对重质油上下层的声学性质进行测定、比对，从而表征重质油体系稳定性。本研究实现了在一定温度下，直接、快速利用声学测量方法表征重质油稳定性。
(2)测试温度对重质油体系的声学性质(如声速、衰减等)具有显著影响。因此本发明设计了可对上下层体系进行加温及控制的加热系统，加热系统中设置有检测温度的装置和控制温度的装置，从而实现对体系的温度进行精确控制，使测试体系的上、下层的温度相同，使用本装置可便利的实现对不同温度下，在不加正构烷烃稀释的情况下，实现对重质油稳定性的直接表征。
(3)该装置还可以实现在线实时跟踪监测。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。