專利名稱：測量油/水雙相流體系中金屬表面潤濕狀態的裝置及方法
技術領域：
本發明屬于金屬表面油/水潤濕狀態的測量領域，具體涉及一種測量油/水雙相流體系中金屬表面潤濕狀態的裝置及方法，該裝置和方法為研究金屬材料在流動的油/水體系中的腐蝕磨損行為提供了有利的條件。
背景技術：
石油是當今世界上最重要的能源物質之一，目前國內外油田80%以上的采油井選用有桿機械泵采油方式，有桿泵采油面對的嚴重問題之一是油管和抽油桿之間由于腐蝕磨損所造成的早期失效。近年來隨著我國油田開發的不斷深入，一者油田開采的地質對象逐漸轉向薄層和低滲透層，由于地層條件差，自然產能低，導致抽油桿承受的載荷不斷增加；二者目前大部分油田已進入中、高含水期的開采階段，加之多年的強注強采，綜合含水逐年上升，井液的腐蝕性不斷增強。兩者共同作用致使采油生產中抽油設備的腐蝕磨損問題越來越突出，油井免修期明顯縮短，維護工作量大幅增加，采油成本迅速上升。一般來說，金屬在油中難以腐蝕，只有當油中的水含量逐漸增加，金屬表面有水吸附才可能發生腐蝕；金屬在油中的磨損也是輕微的，因為油膜的承載能力高，能有效潤滑而減緩磨損，只有當金屬表面吸附了水，由于水膜承載能力差，導致潤滑失效磨損加劇。可見金屬表面的潤濕狀態對其在油/水雙相流體系中的腐蝕磨損行為至關重要。在靜態條件下可以通過測量液體在金屬表面的潤濕角來推測金屬表面的潤濕狀態(水潤濕還是油潤濕)，但在流動狀態下則無法進行這種測量。
發明內容
本發明的目的在于提供一種測量油/水雙相流體系中金屬表面潤濕狀態的裝置及方法，該裝置和方法解決了流動的油/水體系中金屬表面潤濕狀態的測量問題。其工作原理是根據油與水的電導率不同，通過即時測量電導值來判斷固體表面液膜的油/水性質，從而獲得金屬表面潤濕狀態的信息。本發明的技術方案如下:一種測量油/水雙相流體系中金屬表面潤濕狀態的裝置，該裝置包括儲液罐、體積流量計、循環泵、流速調節閥、圓盤分水器、樣品槽、試驗樣品、微型電導傳感器和信號處理及顯示線路；其中，圓盤分水器包括入水口、緩沖腔和多個出水口，入水口開設在緩沖腔的一個端面上，出水口開設在緩沖腔的另一個端面上；所述緩沖腔為兩端封閉的不銹鋼圓筒，各個出水口圍繞緩沖腔另一端面的中心設置且間距相等，各個出水口到緩沖腔另一端面的中心距離相等；所述樣品槽底部中央開設一盲槽，盲槽底部開設多個均勻分布的通孔，在樣品槽兩個相對的側面下部分別開設多個進水口和多個排水口，進水口、排水口的數量與圓盤分水器出水口的數量相同；所述樣品槽為無蓋的長方形容器，由有機玻璃制作，樣品槽側面各進水口和排水口的圓心距樣品槽底面距離相等，樣品槽進水孔的面積小于其排水孔的面積，以保證進入樣品槽的水能及時排出；試驗樣品與樣品槽底部的盲槽及微型電導傳感器之間的空隙以環氧樹脂填充，防止液體泄露。所述儲液罐的出水口與體積流量計的一端連接，體積流量計的另一端與循環泵入口連接，循環泵的出口連接流速調節閥一端，流速調節閥另一端連接圓盤分水器的入水口 ；所述圓盤分水器的出水口與樣品槽的進水孔連接，樣品槽的排水口與儲液罐連接；所述儲液罐為圓筒狀容器，由有機玻璃制成，其出水口設置于其側壁下部；所述儲液罐與體積流量計之間及體積流量計與循環泵之間采用耐壓塑料管連接；所述圓盤分水器的出水口通過硅橡膠管與樣品槽的進水孔連接，樣品槽的排水口連接硅橡膠管，其另一端由儲液罐頂部導入儲液te ；所述微型電導傳感器是將不銹鋼絲用絕緣材料固封在薄壁不銹鋼管中制成，不銹鋼絲的長度大于薄壁不銹鋼管的長度，不銹鋼絲一端與薄壁不銹鋼管的一端在同一平面上，該平面為微型電導傳感器的探頭，不銹鋼絲為微型電導傳感器的一極，不銹鋼管為微型電導傳感器的另一極；所述絕緣材料為環氧樹脂或熱縮套管等。所述試驗樣品上開設多個均勻分布的通孔，其與盲槽底部的通孔數量相等，且 對應后同軸等徑；試驗樣品置于樣品槽底部的盲槽中，微型電導傳感器插入盲槽上的
各個通孔，并一一對應地穿過試驗樣品上的各個通孔，微型電導傳感器的探頭與試驗樣品的上表面平齊；試驗樣品與樣品槽底部的盲槽及微型電導傳感器之間的空隙以環氧樹脂填充，防止液體泄露；所述微型電導傳感器連接信號處理及顯示線路。所述信號處理及顯示線路主要由電源、反相器、比較電阻、保護電阻和發光二極管組成，用于將微型電導傳感器測得的信號用發光二極管來顯示；所述體積流量計為橢圓齒輪流量計，其測量值不受油/水混合液體性質的影響，其量程由測量要求確定；所述流速調節閥為不銹鋼球閥；所述循環泵為管道離心泵，依據需測量的流體最高流速選擇泵的功率。上述油/水雙相流體系中金屬表面潤濕狀態測量裝置工作時，儲液罐中的油/水混合液體，經過體積流量計進入循環泵，循環泵使液體經過流速調節閥，進入圓盤分水器，分為八個支路，從一端平行流入樣品槽，均勻流經試驗樣品表面(鑲嵌有微型電導傳感器的探頭)后，從樣品槽另一端流出，回注到儲液罐中；與此同時通過信號處理及顯示線路獲得由微型電導傳感器測量的其探頭表面液膜的電導值。用上述裝置測量油/水雙相流體系中金屬表面潤濕狀態的方法，包括如下步驟:I)將試驗液體倒入儲液罐中，開動循環泵，待試驗液體油/水雙相混合并在整個裝置中平穩循環流動；2)給信號處理及顯示線路加電，發光二極管開始閃爍；3)調節流速調節閥，使體積流量計顯示的試驗液體流速達到設定值；4)待發光二極管的工作狀態穩定后，記錄導通的發光二極管的數量；5)重復步驟3)、4)，直至完成所有設定流速下的測量工作；6)根據公式:水潤濕百分比=(導通的發光二極管數量/傳感器的數量)X 100%，得到試驗樣品表面的水潤濕百分比。
本發明具有如下優點:1、本發明采用測量固體表面液膜電導值的方法判斷液膜的油/水性質，根據探頭表面液膜推斷其附近液膜性質，解決了在流動狀態下金屬表面油/水潤濕狀態的測量問題。2、本發明設計和制作的微型電導傳感器，作為其探頭的端面面積小，兩極間的距離小，能夠在對液膜干擾盡可能小的條件下反映探頭附近試驗樣品表面的潤濕狀態。3、本發明采用大尺寸平板狀試驗樣品，在試驗樣品表面鑲嵌眾多微型電導傳感器，測量的信號采集靈敏迅速，能真實地即時地描述試驗樣品表面的潤濕狀態。4、本發明采用發光二極管隨時顯示所有微型電導傳感器的測量結果，直觀地反映了試驗樣品表面的潤濕狀態，便于計算試驗樣品表面水潤濕(或油潤濕)所占百分比，并時觀察其變化。5、本發明采用了自行設計的圓盤分水器和兩側帶有8個通孔的樣品槽，保證了油/水雙相流體在大尺寸試驗樣品表面各處的流速相同。6、本發明采用模塊化設計，裝置的每一部分均可以方便地拆卸、組合以及再改造。總之，本發明可以測量不同油/水體系、不同流速下金屬表面的潤濕狀態，為研究金屬在油/水雙相流體系中的腐蝕磨損問題提供了必要的手段。
圖1為本發明測量油/水雙相流體系中金屬表面潤濕狀態的裝置結構示意圖。圖2為本發明裝置中樣品槽的結構示意3為本發明圓盤分水器結構示意圖。圖4為本發明微型電導傳感器示意圖。圖5為本發明信號處理及顯示線路框圖。圖6為利用本發明測量到的金屬(碳鋼)在油/水體系中潤濕狀態(水潤濕百分比)與流速(用單位時間流量表示)的關系曲線。圖中:1-循環泵，2-流速調節閥，3-圓盤分水器，4-樣品槽，5-信號采集及顯示線路，6-儲液罐，7-體積流量計，8-試驗樣品，9-微型電導傳感器，10-入水口，11-緩沖腔，12-出水口，13-不銹鋼絲，14-不銹鋼管，15-絕緣材料。
具體實施例方式以下通過具體實施例及附圖詳述本發明。本發明測量油/水雙相流體系中金屬表面潤濕狀態的裝置，其組成包括儲液罐、體積流量計、循環泵、流速調節閥、圓盤分水器、樣品槽、試驗樣品、微型電導傳感器和信號處理及顯示線路。所述儲液罐為Φ (150 250) X (300 500)的圓筒狀容器，由有機玻璃制成，圓筒壁下部有Φ (2.5 3.8)的出水孔，出水孔與體積流量計相連。所述體積流量計為橢圓齒輪流量計，其測量值不受油/水混合液體性質的影響，其量程由測量要求確定。所述循環泵為管道離心泵，依據需測量的流體最高流速選擇泵的功率。
所述流速調節閥為不銹鋼球閥，兩端分別與循環泵出口和圓盤分水器入水口相連接。所述圓盤分水器由不銹鋼材料制作，包括I個Φ (2.5 3.8)的入水口和8個Φ (10 15)的出水口，出水口和入水口之間為Φ (80 100)的圓柱形緩沖腔；入水口從緩沖腔的一個端面進入，其軸線與緩沖腔軸線重合；出水口從緩沖腔另一端面引出，8個出水口等距分布在端面Φ (50 70)的圓周上，其圓心軸線與緩沖腔軸線重合。所述樣品槽用有機玻璃制作，尺寸為(200 300) X (100 200) X (100 150)(長X寬X高)；樣品槽底板中央開一盲槽，尺寸為(150 180) X (80 100) X 5 (長X寬X深)，在盲槽底部鉆(150 200)個均勻分布的Φ (1.5 2.0)的通孔；在樣品槽兩個相對的側面下部分別開8個通孔，各通孔的圓心距底面距離相等，均為(4 6)mm，其中一偵_ Φ (7 10)通孔為進水孔，另一側的Φ (8 12)通孔為排水孔，以保證進入樣品槽的水能及時排出。所述試驗樣品尺寸為(150 180) X (80 100) X 5 (長X寬X高)，在試驗樣品上鉆(150 200)個均勻分布的Φ (1.5 2.0)的通孔，試驗樣品上所鉆的各通孔必須與盲槽底部所鉆的各通孔--對應并同軸等徑。所述微型電導傳感器是將Φ (0.4 0.6) X (100 200)不銹鋼絲用絕緣材料固封在φ (1.5 2.0) X (30 50)的薄壁(壁厚0.15 0.20)不銹鋼管中，制成(150 200)個微型電導傳感器；不銹鋼絲為傳感器的一極，不銹鋼管為另一極，中間的絕緣材料為環氧樹脂和熱縮套管等；作為探頭的傳感器端面用砂紙研磨平整。將試驗樣品放入樣品槽底部的盲槽中，將(150 200)個微型電導傳感器插入盲槽上(150 200)個均勻分布的Φ (1.5 2.0)通孔，——對應地穿過試驗樣品上(150 200)個均勻分布的Φ (1.5 2.0)通孔，使作為傳感器探頭的端面與試驗樣品表面平齊，用環氧樹脂填充試驗樣品與樣品槽底部盲槽及微型電導傳感器之間的所有空隙，防止液體泄露。所述信號處理及顯示線路主要由電源、反相器、比較電阻、保護電阻和發光二極管組成，信號處理及顯示線路用于將微型電導傳感器測得的電阻信號用發光二極管來顯示。當油/水混合液體接觸微型電導傳感器的探頭時，探頭表面的液膜阻值大于比較電阻時，反相器的輸入端為高電位，輸出端為低電位，發光二極管截止；反之，探頭表面的液膜阻值小于比較電阻時，反相器的輸入端為低電位，輸出端為高電位，發光二極管導通發光。所述圓盤分水器與樣品槽的連接及樣品槽與儲液罐的連接都采用8根尺寸適當的硅橡膠管，儲液槽與體積流量計之間及體積流量計與循環泵之間采用耐壓塑料管連接。上述油/水雙相流體系中金屬表面潤濕狀態測量裝置作業時，儲液罐中的油/水混合液體，經過體積流量計進入循環泵，循環泵使液體經過流速調節閥，進入圓盤分水器，分為8個支路，從一端平行流入樣品槽，均勻流經試驗樣品表面(鑲嵌有微型電導傳感器的探頭)后，從樣品槽另一端流出，回注到儲液罐中；與此同時通過信號處理及顯示線路，利用發光二極管顯示微型電導傳感器探頭表面液膜的電導情況。實施例1本發明各部件的尺寸和連接:
如圖1所示，本發明測量油/水雙相流體系中金屬表面潤濕狀態的裝置包括循環泵1、流速調節閥2、圓盤分水器3、樣品槽4、信號采集及顯示線路5、儲液罐6、體積流量計7、試驗樣品8和微型電導傳感器9。循環泵I為750W管道離心泵；儲液罐6為Φ 150 X 300的圓筒狀容器，用有機玻璃制成，圓筒壁下部有Φ2.54的出水孔；圓盤分水器3由不銹鋼材料制作，包括I個Φ2.54的入水口 10和8個Φ 10的出水口 12，出水口 12和入水口 10之間為Φ85的圓柱形緩沖腔11 ；入水口 10從緩沖腔11的一個端面進入，其軸線與緩沖腔11的軸線重合；出水口 12從緩沖腔11的另一端面引出，8個出水口等距分布在端面Φ50的圓周上，其圓心軸線與緩沖腔11的軸線重合，其結構示意圖如圖3所示；流速調節閥2為不銹鋼球閥；體積流量計7為橢圓齒輪流量計，量程為0.6 6m3/h ;樣品槽4用有機玻璃制作，尺寸為250 X 150 X 130 (長X寬X高)；樣品槽4底板中央開一盲槽，尺寸為160X80X5(長X寬X深)，在盲槽底部鉆160個均勻分布的Φ1.8通孔；在樣品槽4兩個相對的側面下部分別開8個通孔，各通孔的圓心距底面距離均為4mm，其中一側的Φ7通孔為進水孔，另一側的Φ8通孔為排水孔，以保證進入樣品槽的水能及時排出，如圖2所示；試驗樣品8尺寸為160X80X5(長X寬X高)，在試驗樣品上鉆160個均勻分布的Φ 1.8的通孔，各通孔必須與盲槽4底部所鉆的各通孔一一對應并同軸等徑；微型電導傳感器9由Φ0.5X150不銹鋼絲13用絕緣材料15固封在Φ1.78X30的薄壁不銹鋼管14中制成，中間的絕緣材料為環氧樹脂和熱縮套管等，端面用砂紙研磨平整作為傳感器的探頭，參見圖4 ;將試驗樣品8放入樣品槽4底部的盲槽中，將160個微型電導傳感器9經盲槽中的通孔插入試驗樣品8的通孔，使作為傳感器探頭的端面與試驗樣品8表面平齊，用環氧樹脂填充試驗樣品8與試驗樣品槽4底部盲槽及微型電導傳感器9之間的所有空隙，防止液體泄露；信號處理及顯示線路主要由電源(DC5V)、54反相器(CD4069UBE)、160個比較電阻(1M Ω )、160個保護電阻(2k Ω)和160個發光二極管組成，電子線路框圖如圖5。循環泵I的出水口與流速調節閥2的一端相連；流速調節閥2的另一端與圓盤分水器3的入水口 10相連；采用8根硅橡膠管把圓盤分水器3的8個出水口 12與樣品槽4的8個進水孔分別連接起來；把8根硅橡膠管一端與樣品槽4的8個排水孔分別相連，另一端插入儲液罐6中；采用耐壓塑料管將儲液罐6的出水口與體積流量計7的一端相連；體積流量計7的另一端采用耐壓塑料管與循環泵I的入水口相連。實施例2本發明測量油/水雙相流體系中金屬表面潤濕狀態的方法:以測量某種油/水雙相體系在流動過程中不銹鋼類試驗樣品表面的潤濕狀態為例:1、樣品制備 試驗液體為體積百分含量為20 %的蒸餾水與體積百分含量為80 %的3號白油混合液體；試驗樣品由304不銹鋼經機加工制成。2、測量過程I)將按預定體積比配制的試驗液體倒入儲液罐6中，開動循環泵I，待液體油/水雙相混合并在整個裝置中平穩循環流動；2)給信號處理及顯示線路5加電，發光二極管開始閃爍；3)調節流速調節閥2，使體積流量計7顯示的試驗液體流速(單位時間流量)達到設定值；4)待發光二極管的工作狀態穩定后(10 20min)，記錄導通的發光二極管的數量;5)調節流速調節閥2，使體積流量計7顯示的流速達到另一設定值；6)待發光二極管的工作狀態穩定后(10 20min)，再次記錄導通的發光二極管的
數量；7)重復5)、6)，直至完成所有設定流速下的測量工作。8)試驗樣品表面的水潤濕百分比=(導通的發光二極管數量/160) X 100%，測量結果見圖6。
權利要求
1.一種測量油/水雙相流體系中金屬表面潤濕狀態的裝置，其特征在于:該裝置包括儲液罐、體積流量計、循環泵、流速調節閥、圓盤分水器、樣品槽、試驗樣品、微型電導傳感器和信號處理及顯示線路；其中，圓盤分水器包括入水口、緩沖腔和多個出水口，入水口開設在緩沖腔的一個端面上，出水口開設在緩沖腔的另一個端面上； 所述樣品槽底部中央開設一盲槽，盲槽底部開設多個均勻分布的通孔，在樣品槽兩個相對的側面下部分別開設多個進水口和多個排水口，進水口、排水口的數量與圓盤分水器出水口的數量相同； 所述儲液罐的出水口與體積流量計的一端連接，體積流量計的另一端與循環泵入口連接，循環泵的出口連接流速調節閥一端，流速調節閥另一端連接圓盤分水器的入水口 ；所述圓盤分水器的出水口與樣品槽的進水孔連接，樣品槽的排水口與儲液罐連接； 所述微型電導傳感器是將不銹鋼絲用絕緣材料固封在薄壁不銹鋼管中制成，不銹鋼絲的長度大于薄壁不銹鋼管的長度，不銹鋼絲一端與薄壁不銹鋼管的一端在同一平面上，該平面為微型電導傳感器的探頭，不銹鋼絲為微型電導傳感器的一極，不銹鋼管為微型電導傳感器的另一極； 所述試驗樣品上開設多個均勻分布的通孔，其與盲槽底部的通孔數量相等，且一一對應后同軸等徑；試驗樣品置于樣品槽底部的盲槽中，微型電導傳感器插入盲槽上的各個通孔，并一一對應地穿過試驗樣品上的各個通孔，微型電導傳感器的探頭與試驗樣品的上表面平齊；所述微型電導傳感器連接信號處理及顯示線路。
2.根據權利要求1所述的測量油/水雙相流體系中金屬表面潤濕狀態的裝置，其特征在于:所述絕緣材料為環氧樹脂或熱縮套管。
3.根據權利要求1所述的測量油/水雙相流體系中金屬表面潤濕狀態的裝置，其特征在于:所述信號處理及顯示線路主要由電源、反相器、比較電阻、保護電阻和發光二極管組成，用于將微型電導傳感器測得的信號用發光二極管來顯示。
4.根據權利要求1所述的測量油/水雙相流體系中金屬表面潤濕狀態的裝置，其特征在于:所述圓盤分水器的緩沖腔為兩端封閉的不銹鋼圓筒，各個出水口圍繞緩沖腔另一端面的中心設置且間距相等，各個出水口到緩沖腔另一端面的中心距離相等。
5.根據權利要求1所述的測量油/水雙相流體系中金屬表面潤濕狀態的裝置，其特征在于:所述儲液罐為圓筒狀容器，由有機玻璃制成，其出水口設置于其側壁下部。
6.根據權利要求1所述的測量油/水雙相流體系中金屬表面潤濕狀態的裝置，其特征在于:所述儲液罐與體積流量計之間及體積流量計與循環泵之間采用耐壓塑料管連接；所述圓盤分水器的出水口通過硅橡膠管與樣品槽的進水孔連接，樣品槽的排水口連接硅橡膠管，其另一端由儲液罐頂部導入儲液罐。
7.根據權利要求1所述的測量油/水雙相流體系中金屬表面潤濕狀態的裝置，其特征在于:所述樣品槽為無蓋的長方形容器，由有機玻璃制作，樣品槽側面各進水口和排水口的圓心距樣品槽底面距離相等，樣品槽進水孔的面積小于其排水孔的面積；試驗樣品與樣品槽底部的盲槽及微型電導傳感器之間的空隙以環氧樹脂填充。
8.根據權 利要求1所述的測量油/水雙相流體系中金屬表面潤濕狀態的裝置，其特征在于:所述體積流量計為橢圓齒輪流量計；所述流速調節閥為不銹鋼球閥；所述循環泵為管道離心泵。
9.一種用權利要求1-8任一所述的裝置測量油/水雙相流體系中金屬表面潤濕狀態的方法，其特征在于:包括如下步驟: 1)將試驗液體倒入儲液罐中，開動循環泵，待試驗液體油/水雙相混合并在整個裝置中平穩循環流動； 2)給信號處理及顯示線路加電，發光二極管開始閃爍； 3)調節流速調節閥，使體積流量計顯示的試驗液體流速達到設定值； 4)待發光二極管的工作狀態穩定后，記錄導通的發光二極管的數量； 5)重復步驟3)、4)，直至完成所有設定流速下的測量工作； 6)根據公式:水潤濕百分比=(導通的發光二極管數量/傳感器的數量)X100%，得到試驗樣品表面的水 潤濕百分比。
全文摘要
本發明公開了一種測量油/水雙相流體系中金屬表面潤濕狀態的裝置及方法，屬于金屬表面油/水潤濕狀態的測量領域。本發明裝置包括儲液罐、體積流量計、循環泵、流速調節閥、圓盤分水器、樣品槽、試驗樣品、微型電導傳感器和信號處理及顯示線路。該裝置利用鑲嵌在試驗樣品表面的微型電導傳感器測量探頭附近金屬表面液膜的電導率，由于油與水的電導率存在顯著差別，測量結果可以反映探頭附近金屬表面的潤濕狀態。大量微型電導傳感器測得的信號用發光二極管來顯示，從而獲得試驗樣品表面水潤濕(或油潤濕)所占百分比。本發明能夠實現對不同成分的油/水雙相流體在不同流速下金屬表面潤濕狀態的測量。
文檔編號G01N13/00GK103207133SQ20121000758
公開日2013年7月17日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者段德莉, 李曙, 胡紫陽, 易凡, 侯思焓, 張榮祿, 王鵬 申請人:中國科學院金屬研究所