歡喜嶺含水稠油流變特性實驗研究

齊 超，李東妍，李東昕，吳玉國，姜亞杰，于 歡

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油管道公司長春輸油氣分公司，吉林 長春 130011；3. 中國石油管道公司沈陽龍昌管道檢測中心，遼寧 沈陽 110168； 4. 中國石油天然氣管道局第一工程分公司，河北 廊坊 065000）

歡喜嶺含水稠油流變特性實驗研究

齊 超1，李東妍2，李東昕3，吳玉國1，姜亞杰4，于 歡1

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油管道公司長春輸油氣分公司，吉林 長春 130011；3. 中國石油管道公司沈陽龍昌管道檢測中心，遼寧 沈陽 110168； 4. 中國石油天然氣管道局第一工程分公司，河北 廊坊 065000）

因稠油乳狀液在生產(chǎn)和運輸過程中帶來的各種經(jīng)濟(jì)損失，所以其被稱為石油行業(yè)內(nèi)最為棘手的問題之一。采用RV2旋轉(zhuǎn)流變儀對不同含水率下歡喜嶺稠油表觀粘度和流變特性進(jìn)行測定。研究發(fā)現(xiàn)，影響稠油乳狀液流變特性的因素為：溫度、剪切速率和含水率；50 ℃為稠油乳狀液的牛頓流體轉(zhuǎn)化溫度點；含水 40%時乳狀液發(fā)生轉(zhuǎn)相，由油包水型乳狀液轉(zhuǎn)變?yōu)樗托腿闋钜骸３碛土髯冃缘难芯亢团ｎD流體轉(zhuǎn)化溫度點、轉(zhuǎn)相點的測定對稠油管道輸送、設(shè)計和改造有著重要意義。

稠油乳狀液；流變特性；轉(zhuǎn)化溫度；轉(zhuǎn)相點

油包水或水包油型乳狀液的液滴尺寸分散通常在微米的范圍內(nèi)[1]。乳狀液越穩(wěn)定，其流動特性的變化越緩慢[2]。在石油工業(yè)中，通常在井孔出口處原油與水混合形成乳狀液，油水混合物經(jīng)過閥門、泵的攪拌等

容易形成油包水型或水包油型乳狀液，這種稠油乳狀液在生產(chǎn)和運輸過程中會帶來各種經(jīng)濟(jì)損失，因此其被稱為石油行業(yè)內(nèi)最棘手的問題[3]。在所有石油生產(chǎn)階段中，稠油乳狀液流變性的研究對稠油管道輸送、設(shè)計、改造和提高稠油的回收利用率等方面都是必不可少的[4]。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗所用的稠油（含水率為10%）取自遼河油田歡喜嶺采油廠五區(qū)聯(lián)合站。 通過高剪切分散乳化機(jī)分別配制含水率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為20%，30%，40%， 50%，60%的稠油乳狀液。

1.2 實驗儀器及原理

旋轉(zhuǎn)流變儀，HAAKE公司；高剪切分散乳化機(jī)；低溫恒溫水浴；天平；磨口瓶等。旋轉(zhuǎn)流變儀的實驗基本測量原理主要是根據(jù)圓筒旋轉(zhuǎn)時受到的粘滯阻力而產(chǎn)生的力矩來計算所測流體的粘度值。如果外界條件相同，被測流體的粘稠程度將影響力矩的大小，被測流體粘度越大，產(chǎn)生的力矩越大。

1.3 實驗方法

為了保證油樣具有代表性，在遼河油田歡喜嶺采油廠五區(qū)聯(lián)合站現(xiàn)場取樣，分裝到較小的磨口瓶中，密封保存使用。將油樣進(jìn)行預(yù)處理以確保油樣相關(guān)測試數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性，減小實驗誤差，一般取80 ℃作為預(yù)處理溫度，將盛有油樣的磨口瓶放入水浴中，靜置加熱至80 ℃，并在恒溫80 ℃下保持2 h，使瓶內(nèi)油樣借助于熱運動達(dá)到均勻狀態(tài)，在室溫條件下靜置冷卻48 h以上，作為測試的基礎(chǔ)油樣。預(yù)處理后，應(yīng)用高剪切分散乳化機(jī)制備含水率為別為20%，30%，40%，50%，60%的乳狀液，并恒定攪拌10 min，確保油水兩相均勻混合，作為實驗油樣。

利用旋轉(zhuǎn)流變儀和恒溫水浴，在 30～70 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，溫度間隔為 10 ℃。實驗分為升溫過程和降溫過程，分別測出偏轉(zhuǎn)量a，最后求得偏轉(zhuǎn)量的平均值。測試過程中，在每個測試點的溫度、剪切速率要恒定一段時間，使得油樣受外界影響均勻，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

根據(jù)RV2旋轉(zhuǎn)流變儀的實驗原理，剪切應(yīng)力可用下式表示：

式中：t— 剪切應(yīng)力，Pa；

Z — 儀器測量系統(tǒng)常數(shù)（Z1=6.8，Z2=64.32），Pa；

a — 偏轉(zhuǎn)量，從實驗儀器直接讀出，無因次。

表觀粘度可用下式表示：

式中： m — 表觀粘度，mPa·s；

t — 剪切速率，s-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 稠油乳狀液流變曲線

圖1中所示為歡喜嶺稠油在不同溫度、不同含水率情況下的流變曲線。圖 1(a)，(b)，(c)中可以看出：隨著剪切速率的增大，各含水率、各溫度條件下的剪切應(yīng)力也增大；所選取的各溫度點下的流變曲線斜率互不相同，溫度越高，流變曲線的斜率越小，剪切速率對剪切應(yīng)力的影響程度也就越小；另外，不同含水率條件下的流變曲線沒有明顯差異。

2.2 溫度、剪切速率和含水率對稠油粘度的影響

2.2.1 溫度對稠油粘度的影響

溫度是影響原油流變特性的主要因素，其主要表征為，稠油的表觀粘度對溫度的變化十分敏感，溫度的小幅度改變就會引起粘度的明顯變化。引起粘度變化的主要原因是，當(dāng)溫度升高時，稠油內(nèi)粒子的布朗運動加劇，使得稠油內(nèi)部的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等結(jié)構(gòu)變得松散，稠油內(nèi)聚力降低，粘度也就減小[5]。

繪制了含水率分別為20%，40%，60%條件下的表觀粘度與剪切速率關(guān)系曲線圖（圖2）。從圖中可以看出溫度對稠油乳狀液表觀粘度的影響程度，當(dāng)溫度小于 50 ℃時，隨著剪切速率的逐漸增大剪切應(yīng)力增大，稠油乳狀液受剪切變稀，表觀粘度逐漸減小；當(dāng)溫度等于50 ℃或大于50 ℃時，隨著剪切速率的增加，稠油乳狀液的表觀粘度與剪切速率關(guān)系曲線圖保持水平狀態(tài)，表觀粘度值基本不發(fā)生改變或上下波動不大，流體流型逐漸由非牛頓流體轉(zhuǎn)向牛頓流體，說明 50 ℃為歡喜嶺稠油的牛頓流體轉(zhuǎn)化溫度點。

圖1 不同溫度、不同含水率下的流變曲線圖Fig.1 Rheological curves under different moisture content and different temperatures

當(dāng)溫度逐漸升高（30～70 ℃）時流體的表觀粘度顯著降低，說明乳狀液表觀粘度取決于溫度，在整個過程中受溫度變化的影響明顯。

2.2.2 剪切速率對稠油粘度的影響

當(dāng)所取溫度為 30、40 ℃時，隨著剪切速率的增加，稠油乳狀液的表觀粘度逐漸降低，稠油乳狀液遵循著剪切變稀的特性（假塑性）；當(dāng)所取溫度為50、60、70 ℃時，剪切速率的變化對表觀粘度的改變不明顯。

稠油乳狀液具有剪切稀釋性是因為：乳狀液由于體系內(nèi)顆粒的化學(xué)和物理作用會形成一種松散結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到外界剪切作用時，這種松散結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，使得稠油乳狀液的表觀粘度隨著剪切速率的增大而減小；非牛頓流體粘度是由于長鏈分子或顆粒本身的性質(zhì)而決定的，當(dāng)稠油乳狀液處于靜止?fàn)顟B(tài)時，內(nèi)部的長鏈分子細(xì)長纖維呈現(xiàn)出雜亂卷曲狀態(tài)，當(dāng)受到外界剪切作用時，它們逐漸沿著剪切方向排列，剪切速率越大，這種定向排列越整齊所受流動阻力越小，因此表觀粘度也越小。隨著剪切速率減小，稠油乳狀液的表觀粘度增大，隨著剪切速率的增大，這些聚集體會分解成為絮凝體致使粘度減小。

圖2 不同溫度、不同含水率下的剪切速率和粘度關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curves between shear rate and viscosity at different temperatures and different moisture content

2.2.3 含水率對稠油粘度的影響

繪制了不同剪切速率的條件下的表觀粘度與含水率關(guān)系曲線圖（圖3），其中含水率分別為10%，20%，30%，40%，50%，60%。

含水率是稠油乳狀液的又一重要影響因素，對稠油乳狀液的粘度特性也有著重要影響。由圖3可以看出，隨著含水率的變化稠油乳狀液的表觀粘度呈現(xiàn)出比較復(fù)雜的變化規(guī)律并且是不斷變化的，說明此時稠油表現(xiàn)出非牛頓流體特性。圖3中大致分為3個階段，當(dāng)含水小于40%時，稠油粘度隨著含水率的增大而增大，并且溫度越低增大的幅度越大，表觀粘度增大的原因在于，當(dāng)乳狀液中含水率增加會導(dǎo)致氫鍵的增加，氫鍵的增加導(dǎo)致流體動力的增加，因此乳狀液的表觀粘度增大[2]；當(dāng)含水為40%～50%時稠油乳狀液表觀粘度隨著含水率的增大而減小，并且溫度越高減小的幅度越小；當(dāng)含水大于50%時，稠油粘度隨含水率的增大而減小的趨勢逐漸趨于平緩，并且溫度越高越趨于平緩。

圖3 不同溫度下含水率與粘度的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curves between water content and viscosity at different temperatures

在含水率為40%時，稠油乳狀液的表觀粘度發(fā)生明顯改變，表現(xiàn)為其表觀粘度大幅度降低，此時含水稠油由油包水型乳狀液轉(zhuǎn)變?yōu)樗托腿闋钜海布词钦f明歡喜嶺稠油的轉(zhuǎn)相點為含水40%。探明含水稠油的轉(zhuǎn)相點具有非常重要的實際意義，由于油水混合物的粘度主要由其外相所體現(xiàn)，從輸送角度考慮，輸送水包油型乳狀液所消耗的能量要少于油包水型乳狀液所消耗的能量，其中的差異所在就是前者水為外相，而后者油為外相，所以在輸送含水稠油時應(yīng)盡量使稠油乳狀液的連續(xù)相為水而不是油。

稠油乳狀液表觀粘度隨含水率的變化呈現(xiàn)比較復(fù)雜規(guī)律的原因是[6]：當(dāng)含水率較小時，水作為分散相，水液滴之間間隔較大，此時油水分散體系的性質(zhì)主要通過連續(xù)相（油）來體現(xiàn)；當(dāng)含水率逐漸增大時（10%～40%），連續(xù)相（油）中的分散相（水）逐漸增加，相間接觸面增大，液滴之間的相互作用增強(qiáng)，在流體中發(fā)生液滴間的相互碰撞和相對滑動，以及相間表面能的作用，導(dǎo)致表觀粘度的逐漸上升；當(dāng)含水率接近臨界值（40%）的情況下乳狀液發(fā)生轉(zhuǎn)相，液滴發(fā)生形變，這時含水稠油粘度急劇下降（40%～50%）；繼續(xù)增大含水率（50%～60%）表觀粘度下降幅度減小趨于平緩。

3 結(jié) 論

本文采用高剪切分散乳化機(jī)配制了不同含水率的歡喜嶺稠油乳狀液，運用RV2旋轉(zhuǎn)流變儀對乳狀液在不同條件下的表觀粘度以及剪切應(yīng)力進(jìn)行測量，得出以下結(jié)論：

（1） 隨著剪切速率的增大，各含水率、各溫度條件下的剪切應(yīng)力也隨之增大；所選取的各溫度點下的流變曲線斜率互不相同，溫度越高，流變曲線的斜率越小，剪切速率對剪切應(yīng)力的影響程度也就越小；不同含水率條件下的流變曲線沒有明顯差異。

（2） 當(dāng)溫度小于50 ℃時稠油乳狀液表現(xiàn)出明顯的剪切稀釋性，流型為非牛頓流體；當(dāng)溫度接近50 ℃時稠油乳狀液表觀粘度不隨剪切速率的變化而變化，稠油表現(xiàn)為牛頓流體特性，50 ℃為歡喜嶺稠油乳狀液的牛頓流體轉(zhuǎn)化溫度點；當(dāng)含水率為 40%時，稠油乳狀液的表觀粘度明顯發(fā)生改變，此時稠油由油包水型乳狀液轉(zhuǎn)變?yōu)樗托腿闋钜海援?dāng)含水率為40%時歡喜嶺稠油乳狀液發(fā)生轉(zhuǎn)相。

［1］Lake L W. Petroleum Engineering Handbook: General Engineering[M]. Society of Petroleum Engineers, 2006.

［2］Mc.Clements D J. Food emulsions: principles, practices, and techni ques[M]. CRC press, 2004.

［3］Hasan S W, Ghannam M T, Esmail N. Heavy crude oil viscosity reduction and rheology for pipeline transportation[J]. Fuel, 2010, 89(5): 1095-1100.

［4］ Langevin D, Poteau S, Hénaut I, et al. Crude oil emulsion properties and their application to heavy oil transportation[J]. Oil & gas science and technology, 2004, 59(5): 511-521.

［5］鄭維師.稠油油藏高溫復(fù)合氣驅(qū)驅(qū)油機(jī)理研究[D].西安:西安石油大學(xué),2005．

［6］韓洪升,魏兆勝,等.石油工程非牛頓流體力學(xué)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1993:245- 249.

Experimental Study on Rheology of Huanxiling Watery Heavy Oil

QI Chao1, LI Dong-yan2, LI Dong-xin3, WU Yu-guo1, JIANG Ya-jie4, YU Huan1

（1. College of Petroleum and Natural Gas Engineering,Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China; 2. PetroChina Pipeline Changchun Oil＆Gas Transportation Sub-company,Jilin Changchun 130011，China 3. PetroChina Shenyang Longchang Pipeline Survey Center，Liaoning Shenyang 110168，China; 4. China Petroleum and Natural Gas Pipeline Bureau the First Engineering Branch, Heibei Langfang 065000, China）

The heavy oil emulsion can bring out various economic losses during the production and transportation, so it is known as one of the most difficult issues in the oil industry. apparent viscosity and rheology characteristics of Huanxiling heavy oil with different moisture were measured with RV2 rotational rheometer. The results show that temperature, shear rate and moisture are the main factors to affect the rheological properties of heavy oil emulsion. Newtonian fluid transition temperature point of heavy oil emulsion is 50 ℃;Emulsion phase inversion occurs when moisture is 40%, at this time water-in-oil emulsion turns into oil-in-water emulsion. Research on rheological properties of heavy oil and measuring of the Newtonian fluid transition temperature points and phase inversion point are very important for heavy oil pipeline transportation, design and renovation.

Heavy oil emulsion; Rheological properties; Transformed temperature; Phase transfer point

TE81

A

1671-0460（2016）03-0466-03

2015-10-10

齊超（1989-），男，遼寧盤錦人，在讀碩士，研究方向: 從事油品儲運技術(shù)研究工作。E-mail：328011103@qq.com。

吳玉國（1977-），男，副教授，博士，主要從事油氣儲運技術(shù)研究。E-mail：wyg0413@126.com。