[发明专利]定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验装置及方法

权利要求书

1.一种定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验装置，其特征在于：这种定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验装置包括隔水式铜制剪切罐(1)、循环水套(2)、程控浴槽(3)、惰气压力源(4)、电磁阀(5)、微量柱塞泵(6)、偏光显微镜(7)、冷热台(8)、数据采集与控制系统(9)，程控浴槽(3)与循环水套(2)连接，程控浴槽(3)中设置温度传感器(16)和内循环泵(10)；惰气压力源(4)通过管线连接隔水式铜制剪切罐(1)，该管线上设置压力控制阀(17)；循环水套(2)环绕在隔水式铜制剪切罐(1)外，隔水式铜制剪切罐(1)内设置压力传感器(18)，剪切定子头(11)通过剪切传动系统(12)置于隔水式铜制剪切罐(1)内，来油阀组(19)和排液阀组(20)分别设置在隔水式铜制剪切罐(1)的顶部和底部，隔水式铜制剪切罐(1)下部设置的出油管线依次连接电磁阀(5)和微量柱塞泵(6)，微量柱塞泵(6)出口连接转向接头(13)，转向接头(13)连接可旋式不锈钢毛细管(14)，可旋式不锈钢毛细管(14)末端管口设置在载玻片(15)正上方10mm的位置，载玻片(15)设置在冷热台(8)上，冷热台(8)外接标配图像采集系统的偏光显微镜(7)；电磁阀(5)、微量柱塞泵(6)、剪切传动系统(12)、偏光显微镜(7)、温度传感器(16)、压力传感器(18)均连接到数据采集与控制系统(9)。

2.根据权利要求1所述的定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验装置，其特征在于：所述的隔水式铜制剪切罐(1)的锥度为1:2，剪切定子头(11)通过剪切传动系统(12)置于隔水式铜制剪切罐(1)1/3高度的位置，转速范围0～8000r/min。

3.根据权利要求2所述的定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验装置，其特征在于：所述的微量柱塞泵(6)为50μL定量控制。

4.一种定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验方法，其利用了权利要求3所述的定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为影响的试验装置，其特征在于：

步骤一、同步于含蜡原油剪切模式的蜡晶图像摄取：根据含蜡原油管输热力学条件，设置并启动程控浴槽(3)，恒定控制循环水套(2)内的温度，然后结合管输水动力条件，也就是管输剪切率，基于下式确定剪切定子头的转速：

其中，N为转速，γ&为剪切率，k常数，取值为10；

进而开启剪切传动系统(12)，对隔水式铜制剪切罐(1)中的含蜡原油进行某一模式的扰动剪切，在再现一定剪切效应或经历一定剪切历史后，同步打开电磁阀(5)，通过微量柱塞泵(6)将含蜡原油至冷热台(8)上部载玻片(15)上，冷热台(8)上部载玻片(15)上的热力学条件与隔水式铜制剪切罐(1)内的热力学条件一致，利用标配图像采集系统的偏光显微镜(7)摄取含蜡原油中的蜡晶原始图像；

步骤二、蜡晶图像灰度信息的生成、分割及灰度图像提取：利用普适性图像特征处理软件对步骤一获得的蜡晶原始图像进行灰度化，然后按照对图像有m行、n列的像素点划分，读取得到一个m*n阶的关于蜡晶原始图像数据信息的二维数组，数组中的数值便为蜡晶原始图像各个像素点的灰度值g(i,j)，然后，基于该数组统计各像素点灰度值的分布，得到各灰度值的分布比例，同时，选择数组中高数值和低数值过渡区域内的某一些数值，按照下式分别衡量数组中数值分布的反差程度：

s＝r₁·r₂·(g₁-g₂)²

其中，s为数值反差程度，r₁为高于选择值的数值在二维数组中所占的比例，r₂为低于选择值的数值在二维数组中所占的比例，g₁为高于选择值的数值平均值，g₂为低于选择值的数值平均值；

比较由这些选择值分别得到的数值反差程度s，将s最大时所对应的选择值作为蜡晶原始图像的灰度临界值，之后，将灰度值低于该临界值的像素点归为油相区域，并对数组中相应的数值取为这些灰度值中的最低值，高于该临界值的像素点全部归为蜡晶分布区域，数组中的相应数值保留原值，从而分割、提取保留了有用灰度信息的蜡晶灰度图像；

步骤三、蜡晶灰度图像空间曲面特征参数获取：将步骤二获得的蜡晶灰度图像看作为三维空间曲面，曲面各点的高度即为相应像素点的灰度值g(i,j)，然后，以δ的距离分别在该三维空间曲面的上下两侧构建包围此灰度图像的多级覆盖曲面，δ为0时，上下两侧的覆盖曲面便与灰度图像叠合，其表面各点(i,j)的高度满足下式：

T₀(i,j)＝L₀(i,j)＝g(i,j)

其中，T₀(i,j)为δ＝0时上侧覆盖面各个点的高度，L₀(i,j)为δ＝0时下侧覆盖面各个点的高度；

蜡晶图像空间曲面与其覆盖曲面间的距离δ为1，2，3，……时，即在蜡晶灰度图像上下两侧同步、等距、逐级进行曲面覆盖时，相应覆盖级数ε在数值上等于δ，也为1，2，3，……，覆盖曲面与灰度图像呈层状，其表面各点(i,j)的高度按下式确定：

上覆盖面：

下覆盖面：

其中，表示在任一级上覆盖面各个点(i,j)的四邻域内，其前一级覆盖曲面所辖点(k,h)高度的最大值；表示在任一级下覆盖面各个点(i,j)的四邻域内，其前一级覆盖曲面所辖点(k,h)高度的最小值；

从而，根据曲面高度与像素点灰度值的相对应关系，得到关于蜡晶灰度图像各覆盖级数下，再现其覆盖面图像数据信息的新的m*n阶二维数组，也就是获取了蜡晶灰度图像空间曲面特征参数之一——反映图像灰度值的高度；

之后，在上、下覆盖曲面间取底面积为1的长方微元体，按下式确定灰度图像任一级上、下覆盖面所包围空间的体积Vol_ε：

任一级覆盖某剪切效应下蜡晶图像的空间曲面的表面积S_ε便为：

这样，也就获取了蜡晶灰度图像空间曲面特征参数之二——反映蜡晶结构形态的表面积；

步骤四、蜡晶分形维数确定：

基于Richardson定律：

S＝Fδ^2-D

其中，D为蜡晶的分形维数，F为常数；

可得到：

其中，ε＝1，2，3，4，5；

统计上述步骤三中获得某剪切效应下蜡晶图像的空间曲面的表面积S_ε，建立{lgS_ε，lgδ_ε}的散点图，其中ε＝1，2，3，4，5，6，对散点数据进行线性回归，得到回归直线的斜率k，则某剪切效应下的蜡晶分形维数D利用下式求解：

D＝2-k；

步骤五、重复步骤一至步骤四，求得其它剪切效应下的蜡晶分形维数；

步骤六、建立剪切效应与蜡晶分形维数的函数关系，以蜡晶分形维数的大小分布及其变化规律定量表征剪切效应对蜡晶聚集行为的影响。