本發(fā)明涉及的是含蠟原油管輸工藝技術(shù)中，從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度描述剪切流場(chǎng)蠟沉積作用機(jī)制時(shí)，解決對(duì)管輸剪切效應(yīng)影響下原油中析出蠟晶形態(tài)、結(jié)構(gòu)，特別是其聚集行為定量表征的技術(shù)難題，具體涉及的是定量表征剪切效應(yīng)對(duì)蠟晶聚集行為影響的試驗(yàn)裝置及方法。

二、

背景技術(shù)：
：

在我國(guó)原油對(duì)外依存度逐年上升(2015年首破60％，達(dá)到60.6％；2016年或近65％)的背景下，為保障“石油安全”，除了采取加大勘探力度尋找新增石油儲(chǔ)量、利用石油期貨市場(chǎng)規(guī)避進(jìn)口風(fēng)險(xiǎn)、鼓勵(lì)石油石化企業(yè)海外投資開(kāi)發(fā)油氣田、構(gòu)建符合國(guó)情的石油儲(chǔ)備戰(zhàn)略等措施外，提供暢通、可靠的原油管道運(yùn)輸體系也是必不可少的重要環(huán)節(jié)。管道作為人類文明的第五種運(yùn)輸方式，已是國(guó)家重要的能源戰(zhàn)略通道，截至2015年底，我國(guó)境內(nèi)已建成原油管道總里程約2.5萬(wàn)公里，為解決能源緊張、保障能源供應(yīng)安全發(fā)揮著重要作用。然而，我國(guó)主要油田生產(chǎn)的原油大多為高含蠟原油，蠟含量高達(dá)15％～37％，有的甚至高達(dá)40％以上(Chen Gang(陳剛)，Zhang Jie(張潔)，Natural Gas and Oil(天然氣與石油)，2013，31(2)：1～5)，管道輸送過(guò)程中，隨著溫度的降低、油壁溫差的形成及剪切流場(chǎng)的構(gòu)建，作為蠟質(zhì)主要組成的重鏈烷烴和一些環(huán)烷烴，將會(huì)從原油相中不斷析出、結(jié)晶、聚集，并在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)綜合作用下粘附在與其自身存在溫差的管壁上，進(jìn)而提供結(jié)晶核心、再長(zhǎng)大而在管道沿線不斷形成蠟沉積層，蠟沉積會(huì)減小管道流通面積，增大摩阻，降低輸量和增大壓降，不僅增加輸油成本，還會(huì)給生產(chǎn)運(yùn)行帶來(lái)一些問(wèn)題。例如，如果在管道初凝前或初凝時(shí)未能及時(shí)采取有效措施，一旦蠟晶空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增長(zhǎng)到管道所能提供的最大剪切力都無(wú)法克服時(shí)，就會(huì)發(fā)生“凝管”事故。因此，科學(xué)而可靠地描述剪切流場(chǎng)蠟沉積作用機(jī)制，也就是含蠟原油流動(dòng)性機(jī)理，一直是業(yè)界所關(guān)注的熱點(diǎn)和面臨的挑戰(zhàn)，而有效實(shí)現(xiàn)對(duì)析出蠟晶聚集行為的定量表征則是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)最根本的基礎(chǔ)。

關(guān)于蠟晶形態(tài)、結(jié)構(gòu)及其聚集行為的表征，至20世紀(jì)90年代，仍是停留在對(duì)蠟晶顯微圖像進(jìn)行定性比較的階段，未能在宏觀流動(dòng)特征與蠟晶微觀聚集行為間建立定量關(guān)系。隨著對(duì)含蠟原油流變性研究的深入，發(fā)展了計(jì)算蠟晶生長(zhǎng)區(qū)域的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法，并重點(diǎn)對(duì)熱力條件影響下含蠟原油蠟晶圖像中的蠟晶形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了選擇、提取與分類，實(shí)現(xiàn)了早期對(duì)蠟晶形態(tài)和結(jié)構(gòu)較為粗糙的定量表征(Shuang Kai(雙凱)，Liang Huaqing(梁華慶)，Zhang Jinjun(張勁軍)，Journal of the University of Petroleum(Edition of Natural Science)(石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版))，2002，26(5)：100～103)。之后，鑒于分形維數(shù)可以作為自然界中不同物體表面粗糙度的測(cè)量依據(jù)來(lái)區(qū)分不同物體類別，同時(shí)從統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上論證，蠟晶形態(tài)、結(jié)構(gòu)恰恰屬于非線性的分形體，故可采用分形維數(shù)來(lái)對(duì)其定量表征，在含蠟原油加劑改性前后蠟晶聚集行為的多數(shù)解釋工作中便借助了這一分形理論進(jìn)行圖像的分析(Jing Jiaqiang(敬加強(qiáng))，Lu Ping(路平)，Yang Li(楊莉)，Huang Min(黃敏)，F(xiàn)u Xianhui(付先惠)，Journal of Southwest Petroleum University(Science&Technology Edition)(西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版))，2008，30(2)：123～126)，盡管自然界中分形體分形維數(shù)的確定方法有布朗法、盒計(jì)數(shù)法、粒徑分布法和毯子法，但盒計(jì)數(shù)法是目前該領(lǐng)域工作中主要使用的蠟晶分形維數(shù)估算方法，這種方法需要將蠟晶圖像進(jìn)行二值化處理，會(huì)在一定程度上損失圖像灰度信息的同時(shí)，完全忽略了分布區(qū)域蠟晶結(jié)構(gòu)形態(tài)的差異，使相應(yīng)計(jì)算的蠟晶分形維數(shù)局限于二維而不可避免地偏低，導(dǎo)致對(duì)原油中析出蠟晶聚集行為表征的失實(shí)。針對(duì)剪切作用對(duì)含蠟原油蠟晶形態(tài)影響的研究與定量描述，近年發(fā)展了以蠟晶形態(tài)參數(shù)為因變量，以表征剪切模擬量的參數(shù)粘性流動(dòng)熵產(chǎn)、以及原油化學(xué)組成參數(shù)為自變量的定量關(guān)系式(Yi Shize(易世澤)，Gao Peng(高鵬)，Journal of Wuhan University of Technology(Transportation Science&Engineering(武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版))，2013，37(3)：598～602)，式中也引入了蠟晶分形維數(shù)，不過(guò)，其整體方法中含蠟原油剪切過(guò)程與其蠟晶圖像的攝取未實(shí)現(xiàn)連續(xù)和同步，缺乏所攝取圖像對(duì)含蠟原油經(jīng)歷實(shí)際剪切效應(yīng)再現(xiàn)的實(shí)時(shí)性和可靠性，且對(duì)于蠟晶分形維數(shù)的確定，同樣采用了基于圖像二值化處理而在一定程度上損失圖像灰度信息、且完全忽略分布區(qū)域蠟晶結(jié)構(gòu)形態(tài)差異的盒計(jì)數(shù)法。因此，在蠟晶圖像攝取中充分考慮管輸流場(chǎng)的真實(shí)剪切效應(yīng)，在蠟晶聚集行為描述中突破一直以來(lái)采用盒計(jì)數(shù)法的局限性，拓展運(yùn)用分形方法衡量并表征剪切效應(yīng)對(duì)蠟晶聚集行為的影響，進(jìn)而為剪切流場(chǎng)蠟沉積作用機(jī)制的科學(xué)、深入描述提供基礎(chǔ)，已成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

三、

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

本發(fā)明的一個(gè)目的是提供定量表征剪切效應(yīng)對(duì)蠟晶聚集行為影響的試驗(yàn)裝置，本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供定量表征剪切效應(yīng)對(duì)蠟晶聚集行為影響的試驗(yàn)裝置定量表征方法，它用于解決現(xiàn)有技術(shù)對(duì)蠟晶圖像攝取時(shí)不能同步于含蠟原油所經(jīng)歷的不同水動(dòng)力條件，以及表征蠟晶聚集行為時(shí)會(huì)損失圖像灰度信息、特別是理想化了分布區(qū)域蠟晶結(jié)構(gòu)形態(tài)而使得定量化參數(shù)不可靠的問(wèn)題。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：這種定量表征剪切效應(yīng)對(duì)蠟晶聚集行為影響的試驗(yàn)裝置包括隔水式銅制剪切罐、循環(huán)水套、程控浴槽、惰氣壓力源、電磁閥、微量柱塞泵、偏光顯微鏡、冷熱臺(tái)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，程控浴槽與循環(huán)水套連接，程控浴槽中設(shè)置溫度傳感器和內(nèi)循環(huán)泵；惰氣壓力源通過(guò)管線連接隔水式銅制剪切罐，該管線上壓力控制閥；循環(huán)水套環(huán)繞在隔水式銅制剪切罐外，隔水式銅制剪切罐內(nèi)設(shè)置壓力傳感器，剪切定子頭通過(guò)剪切傳動(dòng)系統(tǒng)置于隔水式銅制剪切罐內(nèi)，來(lái)油閥組和排液閥組分別設(shè)置在隔水式銅制剪切罐的頂部和底部，隔水式銅制剪切罐下部設(shè)置的出油管線依次連接電磁閥和微量柱塞泵，微量柱塞泵出口連接轉(zhuǎn)向接頭，轉(zhuǎn)向接頭連接可旋式不銹鋼毛細(xì)管，可旋式不銹鋼毛細(xì)管末端管口設(shè)置在載玻片正上方10mm的位置，載玻片設(shè)置在冷熱臺(tái)上，冷熱臺(tái)外接標(biāo)配圖像采集系統(tǒng)的偏光顯微鏡；電磁閥、微量柱塞泵、剪切傳動(dòng)系統(tǒng)、偏光顯微鏡、溫度傳感器、壓力傳感器均連接到數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。

上述方案中隔水式銅制剪切罐的錐度為1:2，剪切定子頭通過(guò)剪切傳動(dòng)系統(tǒng)置于隔水式銅制剪切罐1/3高度的位置，轉(zhuǎn)速范圍0～8000r/min。

上述方案中微量柱塞泵為50μL定量控制，以進(jìn)一步保證各剪切模式蠟晶圖像攝取時(shí)穩(wěn)定含蠟原油量的同步供給。

上述定量表征剪切效應(yīng)對(duì)蠟晶聚集行為影響的試驗(yàn)裝置定量表征方法：

步驟一、同步于含蠟原油剪切模式的蠟晶圖像攝?。焊鶕?jù)含蠟原油管輸熱力學(xué)條件，設(shè)置并啟動(dòng)程控浴槽，恒定控制循環(huán)水套內(nèi)的溫度，然后結(jié)合管輸水動(dòng)力條件，也就是管輸剪切率，基于下式確定剪切定子頭的轉(zhuǎn)速：

其中，N為轉(zhuǎn)速，為剪切率，k常數(shù)，取值為10；

進(jìn)而開(kāi)啟剪切傳動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)隔水式銅制剪切罐中的含蠟原油進(jìn)行某一模式的擾動(dòng)剪切，在再現(xiàn)一定剪切效應(yīng)或經(jīng)歷一定剪切歷史后，同步打開(kāi)電磁閥，通過(guò)微量柱塞泵將含蠟原油至冷熱臺(tái)上部載玻片上，冷熱臺(tái)上部載玻片上的熱力學(xué)條件與隔水式銅制剪切罐內(nèi)的熱力學(xué)條件一致，利用標(biāo)配圖像采集系統(tǒng)的偏光顯微鏡攝取含蠟原油中的蠟晶原始圖像；

步驟二、蠟晶圖像灰度信息的生成、分割及灰度圖像提?。豪闷者m性圖像特征處理軟件對(duì)步驟一獲得的蠟晶原始圖像進(jìn)行灰度化，然后按照對(duì)圖像有m行、n列的像素點(diǎn)劃分，讀取得到一個(gè)m*n階的關(guān)于蠟晶原始圖像數(shù)據(jù)信息的二維數(shù)組，數(shù)組中的數(shù)值便為蠟晶原始圖像各個(gè)像素點(diǎn)的灰度值g(i,j)，然后，基于該數(shù)組統(tǒng)計(jì)各像素點(diǎn)灰度值的分布，得到各灰度值的分布比例，同時(shí)，選擇數(shù)組中高數(shù)值和低數(shù)值過(guò)渡區(qū)域內(nèi)的某一些數(shù)值，按照下式分別衡量數(shù)組中數(shù)值分布的反差程度：

s＝r₁·r₂·(g₁-g₂)²

其中，s為數(shù)值反差程度，r₁為高于選擇值的數(shù)值在二維數(shù)組中所占的比例，r₂為低于選擇值的數(shù)值在二維數(shù)組中所占的比例，g₁為高于選擇值的數(shù)值平均值，g₂為低于選擇值的數(shù)值平均值；

比較由這些選擇值分別得到的數(shù)值反差程度s，將s最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的選擇值作為蠟晶原始圖像的灰度臨界值，之后，將灰度值低于該臨界值的像素點(diǎn)歸為油相區(qū)域，并對(duì)數(shù)組中相應(yīng)的數(shù)值取為這些灰度值中的最低值，高于該臨界值的像素點(diǎn)全部歸為蠟晶分布區(qū)域，數(shù)組中的相應(yīng)數(shù)值保留原值，從而分割、提取保留了有用灰度信息的蠟晶灰度圖像；

步驟三、蠟晶灰度圖像空間曲面特征參數(shù)獲?。簩⒉襟E二獲得的蠟晶灰度圖像看作為三維空間曲面，曲面各點(diǎn)的高度即為相應(yīng)像素點(diǎn)的灰度值g(i,j)，然后，以δ的距離分別在該三維空間曲面的上下兩側(cè)構(gòu)建包圍此灰度圖像的多級(jí)覆蓋曲面，δ為0時(shí)，上下兩側(cè)的覆蓋曲面便與灰度圖像疊合，其表面各點(diǎn)(i,j)的高度滿足下式：

T₀(i,j)＝L₀(i,j)＝g(i,j)

其中，T₀(i,j)為δ＝0時(shí)上側(cè)覆蓋面各個(gè)點(diǎn)的高度，L₀(i,j)為δ＝0時(shí)下側(cè)覆蓋面各個(gè)點(diǎn)的高度；

蠟晶圖像空間曲面與其覆蓋曲面間的距離δ為1，2，3，……時(shí)，即在蠟晶灰度圖像上下兩側(cè)同步、等距、逐級(jí)進(jìn)行曲面覆蓋時(shí)，相應(yīng)覆蓋級(jí)數(shù)ε在數(shù)值上等于δ，也為1，2，3，……，覆蓋曲面與灰度圖像呈層狀，其表面各點(diǎn)(i,j)的高度按下式確定：

上覆蓋面：

下覆蓋面：

其中，表示在任一級(jí)上覆蓋面各個(gè)點(diǎn)(i,j)的四鄰域內(nèi)，其前一級(jí)覆蓋曲面所轄點(diǎn)(k,h)高度的最大值；表示在任一級(jí)下覆蓋面各個(gè)點(diǎn)(i,j)的四鄰域內(nèi)，其前一級(jí)覆蓋曲面所轄點(diǎn)(k,h)高度的最小值；

從而，根據(jù)曲面高度與像素點(diǎn)灰度值的相對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到關(guān)于蠟晶灰度圖像各覆蓋級(jí)數(shù)下，再現(xiàn)其覆蓋面圖像數(shù)據(jù)信息的新的m*n階二維數(shù)組，也就是獲取了蠟晶灰度圖像空間曲面特征參數(shù)之一——反映圖像灰度值的高度；

之后，在上、下覆蓋曲面間取底面積為1的長(zhǎng)方微元體，按下式確定灰度圖像任一級(jí)上、下覆蓋面所包圍空間的體積Vol_ε：

任一級(jí)覆蓋某剪切效應(yīng)下蠟晶圖像的空間曲面的表面積S_ε便為：

這樣，也就獲取了蠟晶灰度圖像空間曲面特征參數(shù)之二——反映蠟晶結(jié)構(gòu)形態(tài)的表面積；

步驟四、蠟晶分形維數(shù)確定：

基于Richardson定律：

S＝Fδ^2-D

其中，D為蠟晶的分形維數(shù)，F(xiàn)為常數(shù)。

可得到：

其中，ε＝1，2，3，4，5。

統(tǒng)計(jì)上述步驟三中獲得某剪切效應(yīng)下蠟晶圖像的空間曲面的表面積S_ε，建立{lgS_ε，lgδ_ε}的散點(diǎn)圖，其中ε＝1，2，3，4，5，6，對(duì)散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，得到回歸直線的斜率k，則某剪切效應(yīng)下的蠟晶分形維數(shù)D可利用下式求解：

D＝2-k；

步驟五、重復(fù)步驟一至步驟四，求得其它剪切效應(yīng)下的蠟晶分形維數(shù)；

步驟六、建立剪切效應(yīng)與蠟晶分形維數(shù)的函數(shù)關(guān)系，以蠟晶分形維數(shù)的大小分布及其變化規(guī)律定量表征剪切效應(yīng)對(duì)蠟晶聚集行為的影響。

上述方案中對(duì)同步于含蠟原油剪切模式的蠟晶圖像攝取時(shí)，剪切效應(yīng)的再現(xiàn)根據(jù)實(shí)際管輸剪切率確定隔水式銅制剪切罐中等效的剪切定子頭轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。

上述方案中對(duì)同步于含蠟原油剪切模式的蠟晶圖像攝取時(shí)，基于定量控制的微量柱塞泵實(shí)時(shí)取得含蠟原油中蠟晶圖像攝取與其經(jīng)歷剪切模式的連續(xù)和同步。

上述方案中對(duì)蠟晶圖像灰度信息的生成、分割及灰度圖像提取，其灰度臨界值由反映蠟晶原始圖像數(shù)據(jù)信息的二維數(shù)組中數(shù)值分布的反差程度變化來(lái)確定。

上述方案中在蠟晶圖像灰度信息的生成、分割及灰度圖像提取時(shí)，將灰度值低于灰度臨界值的像素點(diǎn)歸為油相區(qū)域，并對(duì)數(shù)組中相應(yīng)的數(shù)值取為這些灰度值中的最低值，高于灰度臨界值的像素點(diǎn)全部歸為蠟晶分布區(qū)域，數(shù)組中的相應(yīng)數(shù)值保留為原值。

上述方案中對(duì)蠟晶灰度圖像空間曲面特征參數(shù)獲取時(shí)，蠟晶灰度圖像空間曲面的覆蓋級(jí)數(shù)ε為6。

上述方案中對(duì)蠟晶分形維數(shù)的確定中，反映蠟晶結(jié)構(gòu)形態(tài)的表面積對(duì)數(shù)lgS_ε與圖像覆蓋面的目標(biāo)距離對(duì)數(shù)lgδ_ε構(gòu)成的系列數(shù)據(jù)點(diǎn)回歸采用線性回歸法。

有益效果：

(一)本發(fā)明對(duì)含蠟原油蠟晶圖像的攝取充分考慮了與其剪切過(guò)程的連續(xù)和同步，形成的同步于含蠟原油剪切模式的蠟晶顯微成像一體化裝置使所攝取圖像能夠?qū)崟r(shí)再現(xiàn)含蠟原油所經(jīng)歷的實(shí)際剪切效應(yīng)，同時(shí)，在等效剪切模式構(gòu)建中，除了科學(xué)化關(guān)聯(lián)剪切率和轉(zhuǎn)速外，在不同水動(dòng)力條件創(chuàng)設(shè)中，既實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度條件的連續(xù)調(diào)節(jié)與控制，又引入了對(duì)壓力場(chǎng)環(huán)境的調(diào)控，有效保證剪切效應(yīng)對(duì)管輸實(shí)際蠟晶聚集行為影響表征的科學(xué)性與可靠性。

(二)本發(fā)明在同步于含蠟原油剪切模式來(lái)攝取蠟晶圖像的基礎(chǔ)上，相比于二值化處理，對(duì)蠟晶原始圖像進(jìn)行灰度化處理，既極大地方便了對(duì)反饋圖像信息的數(shù)學(xué)表達(dá)，又能夠最大化保留圖像信息，減少圖像信息損失，同時(shí)采用統(tǒng)計(jì)思想確定數(shù)值反差程度再現(xiàn)圖像各像素點(diǎn)灰度值的均勻性，有益于獲取更為科學(xué)而準(zhǔn)確的灰度臨界值，特別地，對(duì)于低于臨界值的油相區(qū)域取最低灰度值，高于臨界值的蠟晶分布區(qū)域取原始灰度值，能夠有效保留蠟晶圖像的原始真實(shí)數(shù)據(jù)信息，避免像二值化處理中非黑即白的絕對(duì)化，并充分體現(xiàn)蠟晶的結(jié)構(gòu)形態(tài)差異。

(三)本發(fā)明將灰度化的蠟晶圖像看作為三維空間曲面，并以目標(biāo)距離δ在其上下兩側(cè)同步、逐級(jí)構(gòu)建覆蓋曲面，通過(guò)對(duì)各級(jí)上覆蓋面表面各點(diǎn)高度取最大有效值，對(duì)相應(yīng)各級(jí)下覆蓋面表面各點(diǎn)高度取最小有效值而構(gòu)建關(guān)于蠟晶灰度圖像數(shù)據(jù)信息的新的二維數(shù)組，從而能夠最終實(shí)現(xiàn)將整個(gè)空間視域全部包覆而納入圖像有效信息，在避免圖像損失的同時(shí)，保證了反映分布區(qū)域蠟晶結(jié)構(gòu)形態(tài)差異及圖像灰度值的空間曲面特征參數(shù)可靠獲取。

(四)本發(fā)明根據(jù)蠟晶形態(tài)、結(jié)構(gòu)屬于非線性分形體的事實(shí)，采用確定過(guò)程中充分考慮蠟晶結(jié)構(gòu)形態(tài)差異的分形維數(shù)來(lái)衡量蠟晶微觀聚集行為，并基于對(duì)含蠟原油不同剪切模式下蠟晶顯微成像的分割、提取及特征信息參數(shù)獲取，建立分形維數(shù)的大小分布及變化規(guī)律，有益于量化表征含蠟原油管輸剪切效應(yīng)對(duì)蠟晶聚集行為的影響，并達(dá)到從微觀層面揭示含蠟原油管輸工藝特征的目標(biāo)。

(五)本發(fā)明方法科學(xué)，原理明確、可行，結(jié)構(gòu)合理，技術(shù)參數(shù)規(guī)范、可調(diào)，能突破含蠟原油管輸工藝常規(guī)等效剪切模式構(gòu)建、傳統(tǒng)再現(xiàn)剪切效應(yīng)的蠟晶圖像攝取及一直以來(lái)盒計(jì)數(shù)法確定蠟晶分形維數(shù)的局限，有效提供一種充分考慮剪切模式下蠟晶圖像攝取同步性、圖像灰度信息完整性的試驗(yàn)裝置及方法，可操作性和實(shí)用性強(qiáng)。

(六)本發(fā)明填補(bǔ)了運(yùn)用科學(xué)化試驗(yàn)和理論方法從蠟晶聚集行為角度再現(xiàn)并揭示含蠟原油管輸工藝特征的空白，能夠?yàn)榧羟辛鲌?chǎng)蠟沉積作用機(jī)制的科學(xué)、深入描述提供重要基礎(chǔ)，也可為含蠟原油管道運(yùn)行中清管工藝方案的選擇制定提供科學(xué)依據(jù)，既可應(yīng)用在含蠟原油長(zhǎng)距離管道輸送領(lǐng)域，又可推廣應(yīng)用到包括含蠟原油-水兩相、含蠟原油-水-氣三相等在內(nèi)的油田礦場(chǎng)集輸領(lǐng)域。

四、附圖說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2同步于含蠟原油剪切效應(yīng)1(等效剪切轉(zhuǎn)速60r/min)攝取的蠟晶原始圖像；

圖3同步于含蠟原油剪切效應(yīng)2(等效剪切轉(zhuǎn)速600r/min)攝取的蠟晶原始圖像；

圖4同步于含蠟原油剪切效應(yīng)3(等效剪切轉(zhuǎn)速6000r/min)攝取的蠟晶原始圖像；

圖5剪切效應(yīng)1下蠟晶原始圖像的數(shù)據(jù)信息及其像素點(diǎn)灰度值分布；

圖6剪切效應(yīng)2下蠟晶原始圖像的數(shù)據(jù)信息及其像素點(diǎn)灰度值分布；

圖7剪切效應(yīng)3下蠟晶原始圖像的數(shù)據(jù)信息及其像素點(diǎn)灰度值分布；

圖8剪切效應(yīng)1下蠟晶灰度圖像的提取及其數(shù)據(jù)信息；

圖9剪切效應(yīng)2下蠟晶灰度圖像的提取及其數(shù)據(jù)信息；

圖10剪切效應(yīng)3下蠟晶灰度圖像的提取及其數(shù)據(jù)信息；

圖11剪切效應(yīng)1下{lgS_ε，lgδ_ε}散點(diǎn)數(shù)據(jù)線性回歸；

圖12剪切效應(yīng)2下{lgS_ε，lgδ_ε}散點(diǎn)數(shù)據(jù)線性回歸；

圖13剪切效應(yīng)3下{lgS_ε，lgδ_ε}散點(diǎn)數(shù)據(jù)線性回歸；

圖14保密性試驗(yàn)中蠟晶分形維數(shù)與含蠟原油經(jīng)歷剪切效應(yīng)的關(guān)系。

圖中：1隔水式銅制剪切罐 2循環(huán)水套 3程控浴槽 4惰氣壓力源 5電磁閥 6微量柱塞泵 7偏光顯微鏡 8冷熱臺(tái) 9數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng) 10內(nèi)循環(huán)泵 11剪切定子頭 12剪切傳動(dòng)系統(tǒng) 13轉(zhuǎn)向接頭 14可旋式不銹鋼毛細(xì)管 15載玻片 16溫度傳感器 17壓力控制閥 18壓力傳感器 19來(lái)油閥組 20排液閥組。

五、具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明：

如圖1所示，這種定量表征剪切效應(yīng)對(duì)蠟晶聚集行為影響的試驗(yàn)裝置包括外壁設(shè)循環(huán)水套2的隔水式銅制剪切罐1，為了保證一定剪切模式下有效剪切效應(yīng)的再現(xiàn)和獲取，其采用1:2的錐度；通過(guò)內(nèi)嵌內(nèi)循環(huán)泵10的程控浴槽3與循環(huán)水套2對(duì)接來(lái)實(shí)現(xiàn)隔水式銅制剪切罐1內(nèi)均勻熱力條件的連續(xù)調(diào)節(jié)與控制，相應(yīng)溫度的監(jiān)測(cè)利用程控浴槽3中的溫度傳感器16，同時(shí)惰氣壓力源4通過(guò)壓力控制閥17接入隔水式銅制剪切罐1內(nèi)，以取得對(duì)其壓力場(chǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)調(diào)控，相應(yīng)壓力的監(jiān)測(cè)利用隔水式銅制剪切罐1內(nèi)的壓力傳感器18；剪切定子頭11通過(guò)剪切傳動(dòng)系統(tǒng)12置于隔水式銅制剪切罐1內(nèi)1/3高度的位置，保證剪切作用的充分和有效利用，隔水式銅制剪切罐1的來(lái)油閥組19和排液閥組20分別設(shè)置在其頂部和底部，其下部引出的出油管線依次連接電磁閥5和微量柱塞泵6，通過(guò)二者的實(shí)時(shí)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)隔水式銅制剪切罐1與冷熱臺(tái)8的對(duì)接，其中，微量柱塞泵6出口通過(guò)連接于轉(zhuǎn)向接頭13的可旋式不銹鋼毛細(xì)管14引至冷熱臺(tái)8上部載玻片15區(qū)域的正上方10mm位置，且微量柱塞泵6為50μL定量控制，以更好地保證各剪切模式蠟晶圖像攝取時(shí)穩(wěn)定含蠟原油量的同步供給；外接標(biāo)配圖像采集系統(tǒng)的偏光顯微鏡7，用以載玻片15上經(jīng)歷不同剪切模式的原油蠟晶聚集成像。另外，包括電磁閥5、微量柱塞泵6、剪切傳動(dòng)系統(tǒng)12、偏光顯微鏡7、溫度傳感器16及壓力傳感器18等電氣設(shè)備、儀表均連接到數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)9。

上述定量表征剪切效應(yīng)對(duì)蠟晶聚集行為影響的試驗(yàn)裝置定量表征方法：

(一)設(shè)置并啟動(dòng)程控浴槽3、內(nèi)循環(huán)泵10和冷熱臺(tái)8，由來(lái)油閥組19向隔水式銅制剪切罐1中加入某性質(zhì)的含蠟原油，打開(kāi)惰氣壓力源4，并通過(guò)壓力控制閥17調(diào)控剪切模式所需的壓力，待溫度傳感器16和壓力傳感器18達(dá)到需要的示值并穩(wěn)定后，開(kāi)啟剪切傳動(dòng)系統(tǒng)12，按照下式確定剪切定子頭11的轉(zhuǎn)速：

其中，N為剪切定子頭11的轉(zhuǎn)速，為管輸剪切模式下的剪切率，k取值為常數(shù)10。

在含蠟原油按照該等效剪切轉(zhuǎn)速經(jīng)歷充分?jǐn)_動(dòng)剪切的同時(shí)，將可旋式不銹鋼毛細(xì)管14旋至載玻片15區(qū)域的正上方，并打開(kāi)電磁閥5，由定量控制的微量柱塞泵6將該含蠟原油引流至載玻片15上，啟動(dòng)偏光顯微鏡7，進(jìn)行該含蠟原油的顯微成像及圖像采集。由此實(shí)現(xiàn)同步于含蠟原油某剪切模式的蠟晶圖像攝取。

結(jié)合含蠟原油實(shí)際管輸熱力和水動(dòng)力特征，設(shè)置其它的溫度、壓力及轉(zhuǎn)速條件，排空可旋式不銹鋼毛細(xì)管14，更換載玻片15，重復(fù)同樣的方法和過(guò)程，還可攝取同步于含蠟原油另一剪切模式的蠟晶原始圖像。

(二)完成對(duì)同步于含蠟原油剪切模式的蠟晶圖像攝取后，打開(kāi)排液閥組20進(jìn)行排液，必要時(shí)通過(guò)來(lái)油閥組19加入油污清洗劑對(duì)隔水式銅制剪切罐1及管路、閥組進(jìn)行清理，結(jié)束蠟晶圖像攝取過(guò)程，并為另性質(zhì)含蠟原油、另擾動(dòng)剪切模式蠟晶顯微成像做好試驗(yàn)準(zhǔn)備。

(三)將同步于含蠟原油某剪切模式所攝取的蠟晶圖像利用普適性圖像特征處理軟件(如MATLAB、ImageJ等)進(jìn)行灰度化，然后對(duì)應(yīng)于灰度化圖像的分辨率大小(如n×m)，按照對(duì)其有m行、n列的像素點(diǎn)進(jìn)行劃分，讀取得到一個(gè)m*n階的關(guān)于蠟晶原始圖像數(shù)據(jù)信息的二維數(shù)組矩陣，也就形成了圖像信息的數(shù)學(xué)表達(dá)，矩陣中的各個(gè)數(shù)值便為蠟晶原始圖像各個(gè)像素點(diǎn)的灰度值g(i,j)。

基于圖像各個(gè)像素點(diǎn)的灰度值g(i,j)，從統(tǒng)計(jì)方法出發(fā)，建立灰度值分布圖，選擇其中高、低灰度分布過(guò)渡區(qū)域的某一些灰度值，也就是數(shù)組矩陣中高數(shù)值和低數(shù)值過(guò)渡區(qū)間內(nèi)的某一些數(shù)值，按照下式分別衡量圖像灰度分布的反差程度，也就是灰度值的均勻性：

s＝r₁·r₂·(g₁-g₂)²

其中，s為數(shù)組矩陣中數(shù)值反差程度，r₁為高于選擇值的數(shù)值在數(shù)組矩陣中所占的比例，r₂為低于選擇值的數(shù)值在數(shù)組矩陣中所占的比例，g₁為高于選擇值的數(shù)值平均值，g₂為低于選擇值的數(shù)值平均值。

然后比較由這些選擇灰度值分別所得到的數(shù)值反差程度s，并將s最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的選擇值作為蠟晶原始圖像的灰度臨界值。

于是，將灰度值低于該臨界值的像素點(diǎn)歸為油相區(qū)域，并對(duì)數(shù)組矩陣中相應(yīng)的數(shù)值取為這些灰度值中的最低值，將高于該臨界值的像素點(diǎn)全部歸為蠟晶分布區(qū)域，對(duì)數(shù)組矩陣中的相應(yīng)數(shù)值保留原值。

由此實(shí)現(xiàn)蠟晶圖像有用灰度信息的生成、分割、保留及灰度圖像提取。

(四)在分割、提取保留了有用灰度信息的某剪切模式下蠟晶灰度圖像后，將蠟晶灰度圖像看作為三維空間曲面，曲面各點(diǎn)的高度即為相應(yīng)像素點(diǎn)的灰度值g(i,j)，以δ(δ為0～6之間的整數(shù))的目標(biāo)距離分別在該三維空間曲面的上下兩側(cè)同步、等距、逐級(jí)構(gòu)建包圍此灰度圖像的多級(jí)覆蓋曲面，以實(shí)現(xiàn)將整個(gè)空間視域全部包覆而避免圖像信息損失，同時(shí)充分考慮蠟晶結(jié)構(gòu)形態(tài)的差異。

當(dāng)δ為0時(shí)，上、下兩側(cè)的覆蓋曲面便與灰度圖像疊合，其表面各點(diǎn)(i,j)的高度滿足下式：

T₀(i,j)＝L₀(i,j)＝g(i,j)

其中，T₀(i,j)為δ＝0時(shí)上側(cè)覆蓋面各個(gè)點(diǎn)的高度，L₀(i,j)為δ＝0時(shí)下側(cè)覆蓋面各個(gè)點(diǎn)的高度。

當(dāng)δ為1，2，3，4，5，6時(shí)，相應(yīng)覆蓋級(jí)數(shù)ε也為1，2，3，4，5，6，覆蓋曲面與灰度圖像呈層狀，按下式確定1～6級(jí)覆蓋曲面表面各點(diǎn)(i,j)的高度：

對(duì)于任一級(jí)上覆蓋面：

對(duì)于任一級(jí)下覆蓋面：

其中，表示在1～6級(jí)中任一級(jí)上覆蓋面各個(gè)點(diǎn)(i,j)的四鄰域內(nèi)，其前一級(jí)覆蓋曲面所轄點(diǎn)(k,h)高度的最大值；表示在1～6級(jí)中任一級(jí)下覆蓋面各個(gè)點(diǎn)(i,j)的四鄰域內(nèi)，其前一級(jí)覆蓋曲面所轄點(diǎn)(k,h)高度的最小值。

這樣，便可得到1～6級(jí)覆蓋曲面任一級(jí)空間曲面的表面各點(diǎn)高度，而根據(jù)曲面各點(diǎn)高度與圖像像素點(diǎn)灰度值間的相對(duì)應(yīng)關(guān)系，也就相當(dāng)于得到了關(guān)于蠟晶灰度圖像各覆蓋級(jí)數(shù)下，再現(xiàn)其覆蓋面圖像數(shù)據(jù)信息的新的m*n階二維數(shù)組矩陣。

然后，在上、下覆蓋曲面間取底面積為1的長(zhǎng)方微元體，按下式確定灰度圖像1～6級(jí)覆蓋曲面中任一級(jí)上、下覆蓋面所包圍空間的體積Vol_ε：

其中，T_δ(i,j)為1～6級(jí)覆蓋曲面中任一級(jí)上覆蓋面表面各點(diǎn)的高度；L_δ(i,j)為1～6級(jí)覆蓋曲面中任一級(jí)下覆蓋面表面各點(diǎn)的高度。

于是，對(duì)于某剪切效應(yīng)下的蠟晶圖像，按下式確定1～6級(jí)覆蓋曲面中任一級(jí)覆蓋該圖像的空間曲面表面積S_ε：

其中，Vol_ε為1～6級(jí)覆蓋曲面中任一級(jí)上、下覆蓋面所包圍空間的體積；Vol_ε-1為對(duì)應(yīng)前一級(jí)上、下覆蓋面所包圍空間的體積。

由此實(shí)現(xiàn)蠟晶灰度圖像空間曲面特征參數(shù)獲取，包括反映圖像灰度值的高度及反映蠟晶結(jié)構(gòu)形態(tài)的表面積。

(五)基于Richardson定律：

S＝Fδ^2-D

其中，D為蠟晶的分形維數(shù)，F(xiàn)為常數(shù)。

對(duì)變量取對(duì)數(shù)可以得到：

其中，同時(shí)根據(jù)上述方法和過(guò)程(三)，ε＝1，2，3，4，5。

然后，統(tǒng)計(jì)上述方法和過(guò)程(三)中獲取的某剪切效應(yīng)下蠟晶灰度圖像空間曲面特征參數(shù)S_ε，與對(duì)應(yīng)覆蓋曲面級(jí)數(shù)的目標(biāo)距離δ_ε相組配，建立{lgS_ε，lgδ_ε}的散點(diǎn)圖。

其中，ε＝1，2，3，4，5，6。

通過(guò)對(duì)散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，得到回歸直線的斜率k，按下式求解該剪切效應(yīng)下的蠟晶分形維數(shù)D：

D＝2-k

由此實(shí)現(xiàn)含蠟原油經(jīng)歷剪切效應(yīng)下蠟晶分形維數(shù)的確定。

步驟五、重復(fù)步驟一至步驟四，求得其它剪切效應(yīng)下的蠟晶分形維數(shù)。

步驟六、完成含蠟原油不同剪切模式下蠟晶分形維數(shù)的確定后，建立剪切效應(yīng)與蠟晶分形維數(shù)的函數(shù)關(guān)系，以蠟晶分形維數(shù)的大小分布及其變化規(guī)律定量表征剪切效應(yīng)對(duì)蠟晶聚集行為的影響，完整結(jié)束剪切效應(yīng)對(duì)蠟晶聚集行為影響的定量表征過(guò)程。

本發(fā)明通過(guò)同步于含蠟原油剪切模式的蠟晶圖像攝取、蠟晶圖像有用灰度信息的生成、分割、保留及灰度圖像提取、蠟晶灰度圖像空間曲面特征參數(shù)獲取、以及含蠟原油經(jīng)歷剪切效應(yīng)下蠟晶分形維數(shù)的確定，針對(duì)剪切流場(chǎng)原油中析出蠟晶形態(tài)、結(jié)構(gòu)，特別是其聚集行為的定量表征，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)含蠟原油經(jīng)歷不同熱力及水動(dòng)力條件的蠟晶圖像同步攝取，保證圖像信息的完整性和圖像特征參數(shù)獲取的全面性，并充分考慮分布區(qū)域蠟晶的結(jié)構(gòu)形態(tài)差異，構(gòu)建助解剪切流場(chǎng)蠟沉積作用機(jī)制科學(xué)、深入描述難題的科學(xué)有效方法，提供保障含蠟原油管道高效運(yùn)行的有益途徑。

保密性實(shí)驗(yàn)：

采用本發(fā)明所述定量表征剪切效應(yīng)對(duì)蠟晶聚集行為影響的試驗(yàn)裝置及方法進(jìn)行了保密性試驗(yàn)，試驗(yàn)含蠟原油的凝固點(diǎn)為30.2℃，析蠟點(diǎn)為38.0℃，析蠟高峰溫度為36.5℃，含蠟量為25.7％，實(shí)施例涉及了3種不同的管輸剪切率(10s^-1，100s^-1和1000s^-1)，圖2、圖3、圖4為同步于含蠟原油3種剪切效應(yīng)所攝取的蠟晶原始圖像(溫度：35℃；壓力：1.5MPa；偏光顯微鏡放大倍數(shù)：100X)。

基于蠟晶原始圖像2048×1536的分辨率，利用MATLAB讀取得到關(guān)于各剪切效應(yīng)下蠟晶原始圖像數(shù)據(jù)信息的1536×2048階二維數(shù)組矩陣，形成如圖5、圖6、圖7所示各圖像信息的數(shù)學(xué)表達(dá)及各像素點(diǎn)的灰度值分布。

從而，通過(guò)對(duì)數(shù)值反差程度的分析，得到3種不同剪切效應(yīng)下蠟晶原始圖像的灰度臨界值分別為31，24和50，于是提取灰度圖像并構(gòu)建相應(yīng)保留了有用灰度信息的圖像數(shù)據(jù)矩陣，如圖8、圖9、圖10。

以該保留了有用灰度信息的圖像數(shù)據(jù)矩陣為基礎(chǔ)，即可建立1～6級(jí)覆蓋曲面中各級(jí)覆蓋面的數(shù)據(jù)信息，獲取到其空間曲面的表面各點(diǎn)高度，從而求得圖像1～6級(jí)覆蓋曲面的表面積，見(jiàn)表1：

表1不同剪切效應(yīng)下蠟晶灰度圖像各級(jí)覆蓋曲面的表面積

組配各剪切效應(yīng)下蠟晶灰度圖像空間曲面特征參數(shù)S_ε和所對(duì)應(yīng)覆蓋曲面級(jí)數(shù)的目標(biāo)距離δ_ε，建立如圖11、圖12、圖13所示{lgS_ε，lgδ_ε}的散點(diǎn)圖并進(jìn)行線性回歸，得到回歸直線的斜率k。

圖14便為據(jù)上確定的蠟晶分形維數(shù)D及其與實(shí)例含蠟原油所經(jīng)歷剪切效應(yīng)的關(guān)系。

顯然，基于本發(fā)明裝置及方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)剪切效應(yīng)影響下蠟晶分形維數(shù)大小分布的定量識(shí)別，而作為非線性的分形體，蠟晶分形維數(shù)反映著其聚集行為，分形維數(shù)減小，聚集行為加劇，因此，也就實(shí)現(xiàn)了剪切效應(yīng)對(duì)蠟晶聚集行為影響的定量表征。

本發(fā)明很好地解決了目前技術(shù)對(duì)蠟晶圖像攝取時(shí)不能同步于含蠟原油所經(jīng)歷的不同水動(dòng)力條件，以及表征蠟晶聚集行為時(shí)會(huì)損失圖像灰度信息、特別是理想化了分布區(qū)域蠟晶結(jié)構(gòu)形態(tài)而使得反映聚集行為的定量化參數(shù)確定不科學(xué)、不可靠的問(wèn)題。原理明確、思路清晰、過(guò)程科學(xué)、參數(shù)規(guī)范、易取，可操作性強(qiáng)，便于含蠟原油長(zhǎng)距離管道輸送領(lǐng)域及含蠟原油多相礦場(chǎng)集輸領(lǐng)域中推廣應(yīng)用，尤其通過(guò)運(yùn)用科學(xué)化試驗(yàn)和理論方法從蠟晶聚集行為角度再現(xiàn)并揭示含蠟原油管輸工藝特征，能夠?yàn)榧羟辛鲌?chǎng)蠟沉積作用機(jī)制的科學(xué)、深入描述提供重要基礎(chǔ)。