一种用于评价凝胶性能的装置及其评价方法

摘要

一种用于评价凝胶性能的装置，包括有左进液瓶和右进液瓶，进液口与左进液瓶相连；左进液瓶内设有泵；左进液瓶与氮气瓶相连；显微镜设在左进液瓶和右进液瓶之间，在显微镜上方设有工业照相机；工业照相机与计算机相连；毛细管置于气动阀一与气动阀二之间，显微镜下方设有光源，左进液瓶和右进液瓶之间设有转动轴，转动轴上设有旋转齿轮，转动轴与左侧进液瓶内的电机相连，电机与左进液瓶侧壁上的调速阀相连；在右进液瓶左侧壁下部设有出液口；评价的步骤为：1）配置凝胶，设置参数；2）打开氮气瓶，接通电源，设置泵速；3）凝胶装在旋转齿轮上，获得凝胶图像；4）抓图；5）用软件处理图像数据获得评价参数。

说明书

技术领域

本发明属于凝胶力学评价技术领域，具体涉及一种用于评价凝胶性能的装置及其评价方法。

背景技术

油井出水是油田开发中后期遇到的普遍现象，针对油层厚、多，层间差异大，高含水，必须对出水严重的层位进行控制，凝胶在化学堵水方面得到越来越广泛的应用。目前，一般的凝胶性能检测方法主要有：岩心实验法、粘弹性仪、质构仪、试管法等。现有的凝胶性能检测方法需要人工花费大量的时间检测相关参数，周期长；由于使用不同的仪器，误差较大。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于评价凝胶性能的装置及其评价方法，能在较短时间内计算出突破压力和弹性模量，具有动态、高效、快速的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：凝胶力学性能评价仪，包括有左进液瓶和右进液瓶，进液口1与左进液瓶2相连；左进液瓶内设有泵3；左进液瓶与氮气瓶4相连；显微镜5设在左进液瓶和右进液瓶之间，在显微镜上方设有工业照相机6；工业照相机6与计算机相连20；毛细管置于气动阀一9与气动阀二19之间，显微镜下方设有光源22，左进液瓶和右进液瓶之间设有转动轴7，转动轴7上设有旋转齿轮8，转动轴与左侧进液瓶内的电机相连，电机与左进液瓶侧壁上的调速阀11相连；左进液瓶、右进液瓶相邻的侧壁上分别设有气动阀一9、气动阀二19，在右进液瓶左侧壁下部设有出液口10；

所述的左进液瓶一上设有总开关12、控制夹紧阀13、智能控制仪14、退泵开关15、进泵开关16；总开关12与智能控制仪、进泵灯、退泵灯相连；控制夹紧阀13与氮气瓶4、气动阀一9、气动阀二19相连；智能控制仪14与泵3相连，退泵开关15与进液口1相连，进泵开关16与出液口21相连；

所述的右进液瓶17上设有旋转方向选择键18，旋转方向选择键18与转动轴7相连。

所述的照片采集器采用CCD工业相机，置于显微镜上部。

一种利用凝胶性能的装置评价凝胶性能的方法，包括以下步骤：

步骤1，配置凝胶，测试凝胶成胶时间并把凝胶装入毛细管中待用，设置凝胶长度在65-70mm之间；

步骤2，打开氮气瓶4，启动总开关12接通电源，打开进液口1，关闭出液口10，打开退泵开关15，泵3的泵速至调最大等待退泵至充满，退泵提示灯亮，设置泵速为8档；

步骤3，将凝胶装在旋转齿轮8上并启动旋转齿轮8与气动阀一9固定毛细管；调节显微镜与CCD工业像机的焦距、光圈使凝胶的图像最清楚，打开进泵开关16，调节泵速，设置泵速为2档；

步骤4，上述步骤完成后打开软件开始抓图，用CCD工业相机采集凝胶在毛细管中运动的实时照片，将实时照片传入数据库，设置采集速率为10张/s；

步骤5，图像处理模块进行如下处理：将数据库中的照片读入软件中并利用软件处理照片，通过识别技术确定凝胶液面的上下边界；对该图进行图像分割确定圆心及曲率等参数；将两张图片的圆心横坐标加半径的值做减法得出两张图片之间的最大位移差，并将该值作为凝胶形变量；将该形变量值代入泊肃叶方程，纵向线应变式和胡可定律式等计算出凝胶的粘度、线应变、弹性模量特征参数；绘制压力-时间曲线、粘度-时间曲线图，清楚的看到凝胶的抗压强度，突破压力及粘度等特征参数，如此便可以得到样品的力学性质。

本发明的有益效果是：

凝胶作为化学堵水剂，在原油开采、提高油气采收率等方面有着极其重要的作用。为了提高堵塞效果,延长堵塞有效期,形成的凝胶应当具有足够的力学强度。由于测试手段的限制,在不采用岩心封堵试验方法的情况下,凝胶的强度一般是通过动力粘度来表征的,而且测定条件无规定。用这种简便方法评价凝胶这种在结构上和力学性能上都很复杂的体系是远远不够的。要准确评价凝胶的性能,首先必须结合凝胶的结构充分认识凝胶的各种性能,特别是力学性能。本发明使用一种功能全、性能好、方便、快捷的凝胶性能评价仪对凝胶的力学性能进行了多方面的研究，包括突破压力、应变、抗突破能力、弹性模量等。可为凝胶力学性能的全面评价、配方筛选、交联(凝胶化)过程研究提供基础资料和实验研究方法。本发明的方法可高效、快捷的得出凝胶的参数。

本发明涉及在运动过程中计算凝胶力学性质的装置，特别是能简便、快捷的计算出凝胶突破压力、粘度和弹性模量等参数的仪器。目的是建立一种动态的、高效的、快速的凝胶性能检测方案，能在短时间内准确的计算出突破压力、弹性模量、粘度等重要参数。

用传感器采集图像，通过Delphi的自带函数可手动确定凝胶的上下边缘，用边缘检测将确定好的凝胶图像二值化，进行阈值分割提取出需要处理的凹液面，进行曲率计算即可得出相应的凝胶形变量值；将求出的像素点个数根据对应的放大倍数转换为毫米、厘米单位；两幅图像的圆心及曲率之和的位移差，配合毛细管的直径及时间差就可以求得对应的瞬时流量。

针对在凝胶压力检测实时性不足以及精度低的问题，提出了一套改善识别结果的方案。研究采用主成分分析法对采集的特征进行主元分析，结合支持向量机和序列最小化优化算法对圆形缺陷和线形缺陷进行分类识别，同时算法结合并行编程技术以及数据模板技术，提高了识别的实时性及准确性。

数据处理系统将相机拍摄的实时照片存储在数据库中，方便提取与保存。软件可以将数据库中的照片提取出来进行单张处理或批处理。本系统有简洁的人机交互界面，可以选择在处理过程中的某一步停止，方便实验室员观察和理解。

本发明的优点在于:

1）毛细管更接近于储层的孔喉，用其研究的力学参数则更接近现场，实验更接近于储层实际，对现场有非常强的指导意义。

2）相机能拍下不同压力下毛细管内界面的变化，以便通过照片分析、计算凝胶的力学性质。

3）通过像素点来计算凝胶在毛细管中的位置差异，求得的参数相对于原来的试验方法结果更为精确。

4）本发明的方法，第一，扩大了毛细管的选择范围，不会以毛细管有无刻度作为选择标准。第二，减少了肉眼读数的误差，提高了精度。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

图2为本发明的流程图。

图3为本发明的实验步骤图。

图4为本发明实施例绘制的曲线图，其中图4（a）为时间压力曲线图，图4（b）为形变量曲线，图4（c）为弹性模量曲线，图4（d）为粘度曲线。

图5为本发明的凝胶实验模块原理框图。

图6为本发明的图像处理模块处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

凝胶力学性能评价仪，包括有左进液瓶和右进液瓶，进液口1与左进液瓶2相连；左进液瓶内设有泵3；左进液瓶与氮气瓶4相连；显微镜5设在左进液瓶和右进液瓶之间，在显微镜上方设有工业照相机6；工业照相机6与计算机相连20；毛细管置于气动阀一9与气动阀二19之间，显微镜下方设有光源22，左进液瓶和右进液瓶之间设有转动轴7，转动轴7上设有旋转齿轮8，转动轴与左侧进液瓶内的电机相连，电机与左进液瓶侧壁上的调速阀11相连；左进液瓶、右进液瓶相邻的侧壁上分别设有气动阀一9、气动阀二19，在右进液瓶左侧壁下部设有出液口10；

所述的左进液瓶一上设有总开关12、控制夹紧阀13、智能控制仪14、退泵开关15、进泵开关16；总开关12与智能控制仪、进泵灯、退泵灯相连；控制夹紧阀13与氮气瓶4、气动阀一9、气动阀二19相连；智能控制仪14与泵3相连，退泵开关15与进液口1相连，进泵开关16与出液口21相连；

所述的右进液瓶17上设有旋转方向选择键18，旋转方向选择键18与转动轴7相连。

所述的照片采集器采用CCD工业相机，置于显微镜上部。

运行原理：（凝胶性能实验模块）打开氮气瓶、软件、总开关，检测设备是否可以正常运行。将凝胶装入毛细管，并设定额定长度为65-70mm，调节显微镜及摄像头使凝胶的凹液面在电脑上可以清楚地显示，打开进泵开关和软件中的开始抓图按钮，调节泵速——由慢到快，其中微调是为了取得抗压强度相关参数，然后将泵速置于2档恒速驱动；（图像及数据采集模块）在该过程中通过CCD工业摄像机及图像采集卡将压力信号和凝胶在毛细管中的运动状态以照片形式采集出来；（数据传输模块）通过RS485串行接口将这些批量数据传入数据库待使用；（图像处理模块）从数据库中读出图片进行图像分割，使用sobel算子、大津法算子来自动确定所给图片的凹液面、圆心及曲率等参数。利用上述参数便可以计算出凝胶的抗压强度、粘度、突破压力重要参数，并绘制相应的曲线。

一种用于评价凝胶性能的系统，包括有与左进液瓶和右进液瓶相连的凝胶性能实验模块、与工业照相机相连的图像及数据采集模块、数据传输模块和设在计算机内的图像处理模块：其中，

所述凝胶性能实验模块，用于保证凝胶实验的稳定进行；

所述图像及数据采集模块，用于采集多组、大量的实时照片，传入数据库；

所述数据传输模块，用于并行传输大批量实时数据，延迟较小；

所述图像处理模块，用于处理数据库中的照片，在较短时间内计算出相应的特征参数。

参见图5，所述凝胶实验模块具体包括：智能控制单元，气动控制单元和齿轮控制单元，智能控制单元通过芯片一与稳压电源相连；气动控制单元通过芯片二与稳压电源相连；齿轮控制单元通过芯片三与稳压电源相连；

智能控制单元，用于对输入信号编号、变送输出信号；量程上限、量程下限；变送高限、低限，小数点；吸合值、释放值；零点误差修正值、滤波系数、温度单位进行设置；

齿轮控制单元，用于将装有凝胶的毛细管传送到最佳的拍摄位置，稳定毛细管；

气动控制单元，用于稳定和密封毛细管；

其中，智能控制单元、齿轮控制单元、气动控制单元分别由凝胶性能实验模块内部的芯片一、芯片二、芯片三控制，各部分都是人工独立控制的。

所述图像采集模块具体包括：

显微放大单元，用于清楚的观测凝胶在毛细管中的运动状态；

图像采集单元，用于实时采集某一点时凝胶在毛细管中的运动状态。

所述图像处理模块具体包括：

图像分割单元，用于将数据库中的图片进行图像分割转换为软件更易处理的形式；

图像特征参数计算单元，用于计算图像分割单元所提供图像的具体参数。

凝胶性能特征参数计算单元：用于将上述图像特征参数计算单元计算出的图像参数代入公式计算出相应的凝胶性能特征参数。

一种利用凝胶性能的装置评价凝胶性能的方法，包括以下步骤：

步骤1，配置凝胶，测试凝胶成胶时间并把凝胶装入毛细管中待用，设置凝胶长度在65-70mm之间；

步骤2，打开氮气瓶4，启动总开关12接通电源，打开进液口1，关闭出液口10，打开退泵开关15，泵3的泵速至调最大等待退泵至充满，退泵提示灯亮，设置泵速为8档；

步骤3，将凝胶装在旋转齿轮8上并启动旋转齿轮8与气动阀一9固定毛细管；调节显微镜与CCD工业像机的焦距、光圈使凝胶的图像最清楚，打开进泵开关16，调节泵速，设置泵速为2档；

步骤4，上述步骤完成后打开软件开始抓图，用CCD工业相机采集凝胶在毛细管中运动的实时照片，将实时照片传入数据库，设置采集速率为10张/s；

步骤5，图像处理模块进行如下处理：将数据库中的照片读入软件中并利用软件处理照片，通过识别技术确定凝胶液面的上下边界；对该图进行图像分割确定圆心及曲率等参数；将两张图片的圆心横坐标加半径的值做减法得出两张图片之间的最大位移差，并将该值作为凝胶形变量；将该形变量值代入泊肃叶方程，纵向线应变式和胡可定律式等计算出凝胶的粘度、线应变、弹性模量特征参数；绘制压力-时间曲线、粘度-时间曲线图，清楚的看到凝胶的抗压强度，突破压力及粘度等特征参数，如此便可以得到样品的力学性质。

利用所述凝胶力学性能评价仪进行凝胶力学性能评价的方法，包括以下步骤：

一、实验单元

1）参数设置

进入凝胶性能的装置的4个不同的界面,分别设置输入信号编号、变送输出点误差修正值、滤波系数、温度单位，智能控制仪参数已由厂家设置好；

2）泵压控制

通过调速阀控制泵压的大小，通过泵压控制毛细管中凝胶流动的速度，满足对速度控制的要求。在退泵时，设置泵速于8档；进泵时设置泵速于2档；

3）齿轮控制

操作旋转方向阀控制齿轮正向、逆向旋转；控制旋转齿轮的转速及旋转方向，使毛细管停在最佳的拍照位置；

4）稳定装置

将N₂接入智能控制仪的控制阀，通过控制夹紧阀控制气动阀，气动阀缓慢顶住毛细管，并密封毛细管，避免毛细管摆动引起误差，设置氮气压力0.4MPa；

二、数据采集与传输

1）图像采集与传输

通过架在显微镜上的CCD工业相机，采集凝胶在毛细管实时图像；压力信号的采集则是由上位机通过RS485与下位机通信得到实时的压力数据。经由数据线将实时图片传输到数据库中，并行传输大批量实时数据，延迟较小。

三、计算图像特征参数

采用主成分分析法对采集的特征进行主元分析，结合支持向量机和序列最小化优化算法对圆形缺陷和线形缺陷进行分类识别，同时算法结合并行编程技术以及数据模板技术。

凝胶图像通过传感器呈现在凝胶分析软件的主界面上，采集的实时图像显示在分析界面，通过识别技术确定凝胶液面的上下边界，再用sobel算子处理图像，使边界内的图像二值化，确定图像凹液面同时运用算法结合并行编程技术得出液面的曲率半径及误差等参数，分析参数可得出相关的凝胶参数。

参见图6，图像分割的具体方法

1）确定要处理图像的上下边界。

2）进行四次均值滤波，利用Sobel算子和大津法处理图像。

3）全部为0则大津法全局分割，不为0针对制定区域内部分割，经过处理后界面图像被二值化。

曲率的具体算法

1）确定试管内液面的上下边界，并将边界内的图像二值化。

2）确定液面的凹凸方向。

3）将液面的圆心定位在上下边界的中线上，来回移动圆心点计算半径的累积最小误差。

4）累积误差最小的点即为圆心点，将得到的半径带入曲率公式即可得到曲率及曲率半径。

实施例1：

利用所述凝胶力学性能评价仪进行凝胶力学性能评价的方法，包括以下步骤：

一、实验

启动已经设置好参数的智能控制仪；将泵速调至8档进行退泵到退泵灯亮；将已装填凝胶的毛细管装在旋转齿轮上，调节旋转方向与速度在不损坏毛细管的情况下将毛细管置于镜头下方合适位置；开氮气瓶、启动气动阀用于固定、密封毛细管；连接好CCD工业相机，调节显微镜使凝胶在软件主界面中显示最清楚；打开出液口，调节泵速至2档实验开始。

二、数据采集

设置采集速度为10张/s，点击抓图，输入压力校正值（0.003-0.007MPa），开始抓图，便可以得到实时图像数据；压力信号的采集则是由上位机通过RS485与下位机通信得到实时的压力数据。最后将图像和压力数据一起写入数据库中代用。

三、数据处理，具体做法是：

采用主成分分析法对采集的特征进行主元分析，结合支持向量机和序列最小化优化算法对圆形缺陷和线形缺陷进行分类识别，同时算法结合并行编程技术以及数据模板技术。

凝胶图像通过传感器呈现在凝胶分析系统的主界面上，手动采集实时图像显示在分析界面，通过识别技术确定凝胶的上下边界，再用sobel算子处理图像，使边界内的图像二值化，确定图像凹液面同时运用算法结合并行编程技术得出液面的曲率、半径及误差等参数及实时压力值。将两张图片的圆心横坐标加半径的值做减法得出两张图片之间的最大位移差，并将该值作为凝胶形变量；将该形变量值代入泊肃叶方程，纵向线应变式和胡可定律式等计算出凝胶的粘度、线应变、弹性模量等特征参数；绘制压力-时间曲线、粘度-时间曲线等，更加清楚的看到凝胶的抗压强度，突破压力及粘度等特征参数。如此便可以得到样品的力学性质。

实施例2：

一、不同测量方案对比

样品：化工集团3号凝胶

二、处理步骤

1）实验准备

开氮气瓶、启动凝胶智能分析仪、打开凝胶智能分析软件、装凝胶样品、调整显微镜与CCD工业摄像头。

2）采集数据

调节泵速至2档、输入压力校正值、开泵、点击开始抓图，开始采集数据、点击停止抓图，抓图停止并将数据写入数据库。

3）数据处理

输入凝胶长度，点击自动分析，软件自动处理数据。

4）绘图数据分析

绘制压力-时间曲线，凝胶形变量曲线，弹性模量曲线，粘度曲线。

三、处理结果

1）总数据

2）绘制曲线

时间压力曲线图、形变量曲线图、弹性模量曲线图和粘度曲线图。

四、数据分析

1）从时间压力曲线非常明显得出突破压力为0.028Mpa；粘度曲线得到样品粘度为24483mpas。

2）整个实验持续时间为5.6s，抓图56幅。本装置可以在较短的时间内测量出样品所需要的特征参数。

3）实验数据和常规方法测得的数据一致；实验结果和常规方法测得的结果误差较小分别为5.83%和6.44%属于允许误差范围，精度较高。