孤島稠油流變特性試驗研究與數值計算

摘 要：利用環道實驗系統對孤島稠油的流動特性進行了研究，分析了稠油流速對管輸粘度與管輸壓降的影響，結果表明，當含水率較低時，稠油管輸粘度隨流速的變化趨勢主要與管輸溫度有關，當含水率高于0.50時，稠油管輸粘度基本不隨流速發生變化。通過數值計算，得到了稠油粘度與溫度、含水率及氣液比的關系，發現稠油粘度隨溫度和含水率的變化曲面如同“翻頁”，并利用matlab中的sftool工具箱擬合出孤島稠油粘度的經驗關系式。

關鍵詞：稠油；流變特性；粘度；壓降；氣液比

稠油的流動特性與多種因素有關，不同的流動狀況對稠油表現出的流變性也有影響。使得含水超稠油在一定溫度、一定含水率和流量條件下的加熱保溫管輸成為可能[1]。郭東紅[2]分析了乳化降粘角度對稠油乳狀液流變性質的影響；張躍雷等人[3]從動態和靜態兩種角度測量了不同粘度稠油的流變特性；王鳳巖等人[4]從含水率角度研究了遼河稠油的流變特性；王為民等人[5]分析了超稠油的轉相問題，并研究了含水率、溫度及剪切速率對含水原油流變特性的影響。本文利用自行設計的環道實驗系統對孤島稠油進行了測試，主要研究了流速對原油粘度及壓降的影響，并通過數值計算進行原油流變特性的影響因素分析，建立孤島稠油粘度的經驗關系式。

1 環道實驗系統

環道實驗系統如圖1所示，主要包括油熱處理罐、循環水加熱罐、污水加熱罐、稠油泵、摻水泵、循環水泵、實驗測試管段、輔助管段、電伴熱帶以及自控測試儀表，該系統可實現單一原油/稠油環道流變實驗研究及稠油不同比例摻稀、化學降粘、摻水和摻氣管道輸送試驗研究。實驗測試管段設有3條平行的實驗環道，總長19.74m，可進行不同管徑實驗數據對比。螺桿泵最大流量6000 L/hr。管路最高工作壓力：2.5MPa，最高工作溫度為95℃。

2 實驗結果分析

2.1 稠油流速對管輸粘度的影響

在恒定含水率和管輸溫度下，測試不同流速下的稠油管輸粘度，得到稠油管輸粘度與流速的關系曲線，如圖2所示。當含水率較低時，稠油管輸粘度隨流速的變化趨勢主要與管輸溫度有關，這是因為低溫下油樣的粘壁性較大，低流速時流體與管壁剪切較輕，油部分粘附在管壁上，流動的流體含水相對較高，表現出粘度較低，而隨著流速增大，粘附在管壁上的油不斷被沖刷下來，流動的流體含水不斷降低，從而管輸粘度不斷增大。當含水率高于0.50時，稠油管輸粘度基本不隨流速發生變化，管內流態為層流，這是由于在高含水條件下，即使在低溫下會有一部分油粘附于管壁上，但由于流體中所含原油較少，粘附的原油數量有限，所以對整個流動流體的粘度影響不大。

2.2 稠油流速對管輸壓降的影響

在恒定含水率和管輸溫度下，測試不同流速下的稠油管輸壓降，得到稠油管輸壓降與流速的關系曲線，如圖3所示。當含水率為0.50時，在管輸溫度為63℃條件下，管輸壓降隨稠油流速增大而增大，呈線性關系，而在管輸溫度為50℃條件下，管輸壓降隨稠油流速增大呈先緩慢增加后急劇增大的變化趨勢；當含水率高于0.50時，管輸壓降隨稠油流速的變化較小，較為穩定。結合2.1可以看出，隨著稠油流速的變化，管輸壓降的變化規律主要是由管輸粘度造成的。

3 數值計算與因素分析

將稠油中C11+組分視為假組分，根據一定溫度、含水率的地面脫氣稠油粘度，計算假組分分子量M，利用PR粘度方程[6]考慮假組分后的粘度即為稠油粘度，偏心因子由Edmister關聯式[7]求解，并進行修正。

3.1 壓力對稠油粘度的影響

在恒定含水率及溫度下，計算不同壓力下的稠油粘度，得到稠油粘度與壓力的關系曲線，如圖4所示。可以看出，不同含水率及溫度條件下的曲線變化規律大致類似，稠油粘度隨壓力的增加而略有波動，變化不大。分析認為，孤島稠油C11+假組分的分子量在3800～3900之間，重質組分對稠油粘度的影響很大；地層壓力雖然可將輕組分壓入稠油，起到降低稠油粘度的作用，但假組分對稠油粘度的影響遠超過輕組分降粘作用，最終體現為增壓對于降低稠油粘度效果甚微。

3.2 稠油粘度綜合影響因素分析

在恒定氣液比條件下，計算不同含水率及溫度下的稠油粘度，在三維坐標系中繪制含水率、溫度和稠油粘度，并利用插值法得到稠油粘度隨溫度和含水率的變化曲面，如圖5所示，圖中曲面由上及下分別代表1、21、41、61、81Nm3/t五種氣液比。可以看出，各氣液比下稠油粘度隨溫度和含水率的變化趨勢相似，變化曲面如同“翻頁”，且隨著氣液比的增加，稠油粘度的整體變化趨勢大幅下降，并在低溫（35℃）、低含水率（0.23）時減幅最為明顯。

3.3 稠油粘度與影響因素的關聯式

在一定氣液比條件下，以溫度和含水率為自變量，稠油粘度為因變量，利用matlab中的sftool工具箱進行曲面擬合，得到不同氣液比下稠油粘度關于溫度及含水率的關聯式，格式如式（1）所示：

通過對不同氣液比下擬合關聯式系數m32進行統計分析，得到m32隨氣液比gl的擬合關聯式：

將不同氣液比下擬合關聯式的各項系數mij與m32作比值，得出擬合關聯式的系數比Cij，從而得出孤島稠油粘度的經驗公式：

式中，μ——計算粘度，mPa.s；

T——溫度，℃；

wt——含水率；

gl——氣液比，Nm3/t；

mij——計算系數，以m32為基準計算，mij=Cij m32。

4 結論

（1）當含水率較低時，孤島稠油管輸粘度隨流速的變化趨勢主要與管輸溫度有關，當含水率高于0.50時，孤島稠油管輸粘度基本不隨流速發生變化。

（2）孤島原油粘度受地層壓力影響較小，主要與溫度、含水率及氣液比有關，稠油粘度隨溫度和含水率的變化曲面如同“翻頁”，且隨著氣液比的增加，稠油粘度的整體變化趨勢大幅下降，并在低溫、低含水率時減幅最為明顯。

（3）利用matlab中的sftool工具箱擬合出稠油粘度隨溫度及含水率變化曲面的關聯式，并建立擬合關聯式各項系數與氣液比的關系，從而得出孤島稠油粘度的經驗公式。

參考文獻

[1]馬春紅， 吳曉東. 含水超稠油管輸流動特性實驗研究[J]. 中國石油大學學報自然科學版， 2005， 29（1）：70-74.

[2]郭東紅， 江龍. 遼河稠油原油的流變性質及其乳化降粘[J]. 化學通報， 2002， 10：692-695.

[3]張躍雷， 程林松， 劉倩. 稠油流變特性的基礎實驗研究[J]. 特種油氣藏， 2009， 16（6）：64-66.

[4]王鳳巖， 嵇銳， 王忠偉， 等. 特（超）稠油流變特性試驗研究及應用[J]. 特種油氣藏， 2002， 9（5）：91-93.

[5]王為民， 李恩田. 遼河油田含水超稠油流變特性研究[J]. 石油化工高等學校學報， 2003， 22（16）：69-71.

[6]郭緒強， 榮淑霞， 楊繼濤， 等. 基于PR狀態方程的粘度模型[J]. 石油學報， 1999， 3：56-59.

[7]Edmister，W.C. Applied Hydrocarbon Thermodynamics， Part 4： Compressibility Factors and Equations of State[J]. Pet， Refiner， 1958， 37， 173-175.

作者簡介

柏松，中國石油大學（華東）在讀研究生，研究方向：油氣儲運工程。