塔河稠油乳狀液粘度實驗與預測研究

胡 廣 杰

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塔河稠油乳狀液粘度實驗與預測研究

胡 廣 杰

（中國石化西北油田分公司， 新疆 烏魯木齊 830011）

配制了3種塔河稠油在體積含水率為0%、10%、20%、30%下的油包水乳狀液。采用Anton Paar MCR 302流變儀測定了乳狀液在30、40、50、60、70、75 ℃下的粘度。基于實驗數據，對9種乳狀液粘度預測模型的準確性進行了評價，優選出Hatscheck模型作為乳狀液粘度計算基礎模型。根據計算值與實測值之間的偏差，引入溫度相關項對Hatscheck模型進行了修正。結果表明，修正后的Hatschek模型的總平均相對偏差為15.11%，比修正前下降了14.85%。

稠油；乳狀液；粘度；實驗；預測

塔河油田2010年原油產量達到了700萬t，近年來正以每年50萬t的速度遞增，其中稠油開發量占總產量的60%以上[1]。隨著開采時期的增長，原油中的含水量也逐漸增加。含水稠油在地面集輸管網中經過泵、加熱爐、閥門等設備時，不可避免的會發生擾動，形成油水乳狀液。而油水乳狀液的粘溫特性與原油性質、含水率、油水分散度等多種因素相關，目前還沒有一種通用的方法能夠對油水乳狀液粘度進行準確的預測[2]。因此，需要結合塔河稠油本身的特點，開展不同含水率下塔河稠油乳狀液的粘度實驗分析；通過對現有乳狀液計算模型的評價和修正，實現塔河稠油乳狀液粘度的合理預測；為油井及地面集輸管網的工藝計算提供基礎數據和可靠的粘度方法。

1 油包水乳狀液粘度預測模型

目前，常用油包水乳狀液粘度的預測模型有以下幾種[3,4]：

Einstein模型：

Brinkman模型：

Taylor模型：

Rescoe模型：

Hatschek模型：

Richardson模型：

Krieger-Dougherty模型：

Guth-Simha模型

Vand模型：

式中：μ—乳狀液的粘度，mPa·s；

μ—連續相的粘度，mPa·s；

μ—分散相粘度，mPa.s；

φ—分散相的體積分率。

2 粘度實驗與模型評價

2.1 粘度實驗

為了對上述九種乳狀液粘度預測模型進行評價，采用奧地利Anton Paar MCR 302高溫高壓可視化流變儀測試了三種塔河稠油在含水率為0、10%、20%、30%，溫度為30、40、50、60、70、75 ℃下的粘度值。流變儀的扭矩范圍為0.002μN·m~200 mN·m，扭矩分辨率0.1 nN·m；最小轉速10~8 r/min，最大轉速3 000 r/min；采用半導體程序溫控系統，溫度控制范圍為0~300 ℃。

在實驗中，為了保證為原油中含水率的準確性，首先脫除油品的水分，然后根據所需的體積含水率計算出需要摻入原油中的水的體積；采用分次摻入，高速攪拌的方法使油水混合均勻[5,6]。設定起始溫度20 ℃，升溫速率2 ℃/min，每隔5 ℃測定一次粘度。測試方法執行SY/T7549-2000《原油粘溫曲線的確定：旋轉粘度計法》標準。粘度測試結果如表1所示。

表1 塔河稠油乳狀液粘度測試結果

2.2 模型評價

采用計算值和實驗值之間的相對偏差和平均絕對偏差評價模型的準確性，這兩種偏差的定義分別如式（10）和式（11）所示：

式中：cal—計算粘度值，mPa·s；

exp—粘度實驗值，mPa.s；

—總數據點個數。

各模型計算的三種原油在含水率為10%、20%、30%下的粘度值與實驗值之間的平均絕對偏差如表2所示。

由表2可知，采用Hatschek模型計算的油包水型乳狀液的粘度值與實驗值之間的平均相對偏差最小，三個站的總平均相對偏差為29.96%。因此，以Hatschek模型為基礎，根據實驗值與計算值之間的偏差對該模型進行修正。

表2 九種模型粘度預測值的平均絕對偏差

3 模型修正

以12-4站原油乳狀液為例，在不同溫度和含水率下，采用Hatschek模型計算的粘度值和實驗值之間的相對偏差如圖1所示。

圖1 12-4站原油乳狀液計算值與實驗值的相對偏差

圖1表明，相對偏差與含水率和溫度之間存在相關關系。隨著含水率的增大，最大偏差逐漸增大。50 ℃以后，隨著溫度的升高，相對偏差也逐漸增大。而在Hatschek模型中，所有溫度下的粘度都只與含水率和不含水原油的粘度相關。因此，需要在Hatschek模型中引入溫度相關項，使其能夠預測塔河稠油乳狀液粘度隨溫度的變化情況。

以不同含水率下的相對偏差為基礎，采用非線性數據擬合方法對Hatschek模型進行修正，得到了含水率范圍為10%~30%的塔河稠油油包水乳狀液統一粘度預測模型，如式（12）所示：

式中：—溫度，℃；

—與含水率相關的系數，取值見表3。

表3 式（12）中A、B、C、D的取值

采用式（12）和式（5）計算的含水率為10%~30%的三種稠油乳狀液的粘度值和實驗值之間的平均絕對偏差如表4所示。

表4 Hatschek模型修正前后計算偏差對比

表4表明，修正后Hatschek模型的最大平均偏差比修正前下降了15.57%，最小平均偏差下降了10.21%，總平均偏差從修正前的29.96%下降至了15.11%；最大相對偏差為19.81%，比修正前下降了20.13%。

4 結論

（1）測試了三種塔河稠油在含水率為0%、10%、20%、30%，溫度為30、40、50、60、70、75 ℃下的粘度值。基于實驗數據，對九種常用的稠油油包水型乳狀液粘度計算模型進行了評價，結果表明Hatschek模型計算精度最高，平均相對偏差為29.96%。

（2）根據實驗數據和根據計算值與實測值之間的偏差，在Hatschek模型中引入了三次方溫度相關項對該模型進行修正。修正后的Hatschek模型的總平均相對偏差為15.11%，比修正前下降了14.85%。

［1］明亮, 敬加強, 代科敏,等. 塔河稠油摻稀粘度預測模型[J]. 油氣儲運, 2013, 32(2):155-158.

［2］竇丹, 宮敬. 稠油/水乳狀液的表觀粘度實驗研究[J]. 化學工程, 2006,34(9): 39-42.

［3］陳家瑯，陳濤平. 石油氣液兩相管流[M]. 北京：石油工業出版社，2010.

［4］林宗虎，郭烈錦，陳聽寬,等. 能源動力中多相流熱物理基礎理論與技術研究[M]. 北京：中國電力出版社，2010.

［5］王堅，冷冬梅，劉偉. 原油乳狀液最新制備技術及相關評價方法[J]. 油氣田地面工程，2012,31(10): 38-39.

［6］黃啟玉, 張帆, 張勁軍. 原油水乳狀液制備條件研究[J]. 油氣儲運, 2007,26(6): 49-51.

Viscosity Experiments and Prediction of Tahe Crude Oil Emulsion

（Sinopec Northwest Oilfield Company, Xinjiang Urumqi 830011, China）

Three kinds of water-in-oil emulsion samples ( water volume content of 10%, 20%, 30%) were prepared. The Anton Paar MCR 302 rheometer was used to test the viscosity of these water-in-oil emulsions at 30,40,50,60,70 or 75 ℃. Based on the experimental data, nine viscosity prediction models were evaluated, and the Hatschek model was selected as the basic model for the viscosity prediction. The Hatschek model was further improved by introducing a cubic temperature term into it according to the relative errors between the predicted and experimental data. The results show the average relative error of the improved Hatschek model is 15.11%, which decreases by 14.85% compared with the original model.

Heavy oil; Emulsion; Viscosity; Experiment; Prediction

TE 624

A

1671-0460（2014）06-1114-03

2013-10-28

胡廣杰(1973-)，男，高級工程師，研究生學歷，畢業于成都理工大學，現主要從事油田生產運行管理工作。Email：hugj@sinopec.com