油田特高含水油水混合物低溫流動特性的室內研究

董 燕 丁慎圓 王梓棟 呂宇玲 李長亮

1大慶油田工程有限公司2中國石油工程建設公司華東設計分公司3中國石油大學（華東）儲建學院4大慶油田天然氣分公司

油田特高含水油水混合物低溫流動特性的室內研究

董 燕1 丁慎圓2 王梓棟1 呂宇玲3 李長亮4

1大慶油田工程有限公司2中國石油工程建設公司華東設計分公司3中國石油大學（華東）儲建學院4大慶油田天然氣分公司

采用室內環道實驗的方法研究了水平管中特高含水油水混合物在原油凝點及其以下溫度的流型、壓降梯度、混合黏度和溫度、含油率、流速等參數的關系。研究結果表明：凝點以下油水混合物的流型均為水漂油塊流型，凝點時會出現水包油包油團流型，在溫度較低時會出現明顯的管壁黏油現象；油水混合物的壓降梯度隨溫度的升高略有減小，幅度很小，隨含油率的升高逐漸增大，幅度較小；油水混合物的混合黏度隨流速的增大逐漸減小，表現出明顯的剪切稀釋性，隨含油率的升高逐漸增大。油水混合物的壓降梯度和混合黏度均隨聚合物濃度的升高大致呈先減小后增大的規律。

油水混合物；高含水；低溫；流型；壓降梯度；混合黏度；實驗

隨著東部油田的開采進入中后期，我國多數油井采出液含水量達到90%甚至更高，進入三次采油階段，油田生產進入特高含水開發期后，與開發前期相比，油井采出液的性質發生了很大變化[1-2]。雖然國內外對油水兩相流的流動特性已進行過許多研究[3-4]，但是針對特高含水體系低溫流動規律的室內實驗研究較少，特別是溫度低于原油凝點的研究，此狀態下原油為膠凝態，難以用常規方法進行混合[5]。針對這一研究難點，自行設計了可實現原油凝點以下溫度時油水兩相合理混合的實驗系統。在油田采出液含水率上升、原油產量下降、能耗逐年呈上升勢頭的背景下，更加準確地掌握特高含水油水混合物的低溫流動特性，對地面集輸管路壓降的計算、運行溫度的合理確定以及油田地面已建設施的高效利用有重要的現實意義。本文采用一種大慶原油及油田現場水進行了室內特高含水油水混合物在原油凝點及其以下溫度流動規律的研究。

1 實驗系統及主要設備

實驗系統由雙螺桿泵、質量流量計、油水混合器、實驗管路、觀察窗、儲罐等組成，環道流程如圖1所示。實驗管路為內徑25.4mm、長30.8m的不銹鋼套管，夾層可以通過水浴控溫。油罐、水罐及實驗管路分別采用3套不同的溫控系統控制其溫度。實驗管路分為換熱段與測試段，在換熱段油相、水相充分交換熱量達到目標溫度，在測試段測試相應的壓降數據。管路沿線布置了P1～P4四個Keller壓力傳感器和T1～T4四個溫度傳感器。實驗過程中油相、水相分別通過質量流量計計量，經油水混合器混合后進入實驗管路，然后通過換熱段和測試段后進入分離罐。實驗流速為0.4～1.4m/s，溫度為22、25、28和32℃（原油凝點），含油率為5%～20%。

圖1 實驗環道流程

2 實驗結果

2.1 流型圖

在原油凝點以下，各個含油率和混合流速下的特高含水油水兩相混合物均為水漂油塊流型，如圖2（a）所示。這是因為在凝點以下原油為膠凝態，容易形成大塊的凝團。

實驗中還發現，在原油凝點以下運行時會出現管壁粘油的現象，如圖2（b）所示，這在實際生產過程中也是不可避免的一種狀況。管壁粘油導致了管路內徑的減小，使得沿程摩阻變大，增大了能量的消耗，應當盡量避免。溫度越低、流速越低、含油率越高，越容易出現管壁粘油的現象。22℃混合流速為0.4m/s時均出現了明顯的管壁粘油現象，且隨著含油率的升高管壁粘油現象越來越嚴重。混合流速為0.6m/s時，含油率20%時出現了明顯的管壁粘油現象；25℃混合流速為0.4m/s時，當含油率達到20%時才有明顯的管壁粘油現象出現，混合流速為0.6m/s時則沒有出現明顯的管壁粘油現象；28℃混合流速為0.4m/s時各個含油率下均沒有出現明顯的管壁粘油現象。

在原油凝點溫度時，混合流速為0.4、0.6、0.8和1.0m/s時油水兩相混合物的流型為水漂油塊；流速為1.2和1.4m/s時，油水兩相混合物的流型為水包油包油團，如圖2（c）所示。

圖2 流型圖

因管壁粘油現象導致管路內徑的減小，出口段為PPR材質更容易粘油，積聚了較多的原油，管路內徑更小，實驗過程中在小流量下觀察到了不滿流現象，如圖2（d）所示。

2.2 壓降梯度隨流動參數的變化規律

圖3是含油率5%時，油水混合物的壓降梯度隨溫度的變化規律。從圖3可以看出，壓降梯度隨溫度的升高整體上略有減小的趨勢，變化幅度很小，某些工況下壓降梯度隨溫度的升高會出現上下波動現象。這是因為油水混合物的壓降梯度主要由外相決定，在水漂油塊流型下外相水相的黏度隨溫度變化較小，導致油水混合物的壓降梯度隨溫度的升高而略有減小，壓降梯度隨溫度升高出現的波動現象是由于管壁粘油現象導致的。

圖3 壓降梯度隨溫度的變化

圖4 是不同溫度和流速下油水混合物的壓降梯度隨含油率的變化規律。從圖4可以看出，各個工況下油水混合物的壓降梯度隨含油率的升高都略有增大，但增大幅度很小。這說明在原油凝點以下，高含水油水混合物的壓降梯度十分接近相同流速下水相的壓降梯度。

圖4 壓降梯度隨含油率的變化

圖5 混合黏度隨混合流速的變化

2.3 混合黏度隨流動參數的變化規律

圖5是含油率10%時，各個溫度下油水混合物的混合黏度隨流速的變化關系。從圖5可以看出，隨流速的增大混合黏度逐漸減小，表現出明顯的剪切稀釋性。

圖6是混合流速1.0m/s時，混合黏度隨含油率的變化規律。從圖6可以看出，各工況下隨含油率的升高混合黏度均逐漸增大。這是因為含油率的升高使得油水混合物的相間摩擦增大，導致了混合黏度隨含油率的升高而逐漸增大。

圖6 混合黏度隨含油率的變化

圖7 是混合流速1.2m/s時，不同含油率下混合黏度隨溫度的變化規律。從圖7可以看出，隨溫度的升高混合黏度整體上呈逐漸減小的趨勢，但波動較大，這主要是由于管壁粘油導致油水混合物的壓降梯度隨溫度升高波動造成的。

圖7 混合黏度隨溫度的變化

2.4 聚合物對油水混合物流動特性的影響

進入三次采油階段后聚合物驅油技術得到了廣泛的應用，這導致集輸管路中含有大量的聚合物[5]，為此本文還研究了聚合物濃度對油水混合物流動特性的影響。

圖8是含油率10%、22℃時不同流速條件下油水混合物的壓降梯度隨聚合物濃度的變化規律。從圖8中可以看出，除0.4m/s外其他流速條件下油水混合物的壓降梯度隨聚合物濃度的升高均呈現先減小后增大的規律。在200～400mg/L聚合物濃度之間有最小壓降值。

圖8 壓降梯度隨聚合物濃度的變化

從含油率5%、流速1.0m/s時油水混合物的混合黏度隨聚合物濃度的變化規律可以看出，各個工況下油水混合物的混合黏度均隨聚合物濃度的升高先減小后增大，同聚合物濃度為0時的數據相比較，流速越低混合黏度隨聚合物濃度升高而回升的幅度越大。

3 結論

采用室內環道實驗研究了特高含水油水混合物在原油凝點以下的流型、壓降梯度、混合黏度隨流動參數的變化規律。實驗結果表明，凝點以下油水混合物的流型均為水漂油塊流型，凝點時會出現水包油包油團流型，在溫度較低時會出現明顯的管壁粘油現象；油水混合物的壓降梯度隨溫度的升高略有減小，幅度很小，隨含油率的升高逐漸增大，幅度較小；油水混合物的混合黏度隨流速的增大逐漸減小，表現出明顯的剪切稀釋性，隨含油率的升高逐漸增大。油水混合物的壓降梯度和混合黏度均隨聚合物濃度的升高大致呈先減小后增大的規律。

[1]喬晶鵬，梁志武，樊文杰，等．特高含水期油井常溫輸送新途徑[J]．石油規劃設計，2003，14（2）：28-30.

[2]馬立國，胡國元，米宏云，等．油田高含水期常溫集輸技術[J]．內蒙古石油化工，2004，1（30）：119-121.

[3]VielmaM,AtmacaS.Characterizationofoil/waterflowsin horizontalpipes[R].SPEAnnualTechnicalConferenceand Exhibition.California，USA．2007.

[4]TralleroJL．Oil-waterflowpatternsinhorizontalpipes[D]．UniversityofTulsa，1995：4-5.

[5]曲險峰，單志媛，宗華，等．聚合物對原油乳狀液穩定性的影響[J]．應用化工，2012，41（7）：1176-1178．

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.6.009

基金論文：國家自然科學基金項目（51106182）資助。