稠油水基降黏劑評(píng)價(jià)方法研究

黃啟玉， 李增材， 丁振軍， 于 達(dá)

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣儲(chǔ)運(yùn)工程系，北京102249）

稠油乳化降黏是稠油開采和運(yùn)輸過程中常用的降黏技術(shù)［1］。加入水基降黏劑的含水稠油，常以油水懸浮液或乳狀液形式存在，該種狀態(tài)的混合物不能長(zhǎng)時(shí)間均勻穩(wěn)定存在，采用常規(guī)同軸圓筒旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)無法進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，這給稠油水基降黏劑的評(píng)價(jià)帶來了困難［2］。針對(duì)該種情況，常采用攪拌法和環(huán)道實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行降黏劑效果評(píng)價(jià)。諸多學(xué)者對(duì)不同流變性測(cè)量方法進(jìn)行了研究，認(rèn)為所測(cè)量流體的性質(zhì)和測(cè)量方法是造成測(cè)量誤差的重要因素［3－8］。環(huán)道實(shí)驗(yàn)無法避免多次過泵剪切對(duì)流體流變性的影響，測(cè)量結(jié)果與實(shí)際結(jié)果往往差距較大。攪拌法使流體均勻混合，可以持續(xù)模擬管輸過程中的剪切歷史，保證了降黏劑評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性［9］。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)油樣

本實(shí)驗(yàn)采用稠油和地層水配制的含水率為30%油水懸浮液，稠油主要物性參數(shù)見表1。稠油和含水率為30%油包水乳狀液在不同溫度下的黏度見圖1。評(píng)價(jià)用降黏劑為自制含共聚物稠油水基降黏劑。

表1 稠油基礎(chǔ)物性Table 1 Heavy oil basis properties

圖1 稠油和含水30%油包水乳狀液黏溫曲線Fig.1 Viscosity－temperature curve of heavy oil and aqueous emulsion with 30% water

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量原理

本實(shí)驗(yàn)使用攪拌測(cè)量系統(tǒng)（見圖2）進(jìn)行快速降溫法和管輸模擬法水基降黏劑評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)由MR－D 攪拌器、RE162C數(shù)字顯示轉(zhuǎn)速儀、IKAVISC D1－S1數(shù)字顯示扭矩儀、HAAKE AC200恒溫水浴和帶有蓋板的攪拌罐組成。

圖2 攪拌裝置示意圖Fig.2 Mixing device schematic diagram

根據(jù)流體流動(dòng)能量耗散率與剪切率的關(guān)系，得到現(xiàn)場(chǎng)管流平均剪切率計(jì)算式（1）以及該攪拌系統(tǒng)的平均剪切率計(jì)算式（2）。根據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算管輸模擬時(shí)攪拌槽中攪拌槳轉(zhuǎn)速，模擬實(shí)際管道的管流剪切過程［10－13］。實(shí)驗(yàn)前使用多種標(biāo)準(zhǔn)黏度流體對(duì)該攪拌系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，確定攪拌槳扭矩與黏度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

式中：f－摩 阻 系 數(shù)；ρ－密 度，kg／m3；ˉV－管 流 平 均 流速，m／s；μ－黏度，mPa·s；D－管徑，m；V－罐中油水混合物體積，L；˙γ－剪切率，s－1；N－攪拌槳轉(zhuǎn)速，r／min。

該方法的測(cè)量結(jié)果在文獻(xiàn)［9］中得到了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，保證了攪拌法測(cè)量黏度的準(zhǔn)確性。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 快速降溫實(shí)驗(yàn) 通過測(cè)試不同溫度下油水懸浮液黏度來評(píng)價(jià)水基降黏劑的效果。油水懸浮液降溫速率為0.5 ℃／min，測(cè)溫50～80 ℃，到達(dá)測(cè)量溫度恒溫至溫度穩(wěn)定，進(jìn)行攪拌，轉(zhuǎn)速為150r／min，記錄扭矩儀示數(shù)。

1.3.2 管輸模擬實(shí)驗(yàn) 本實(shí)驗(yàn)根據(jù)管輸條件對(duì)油水懸浮液流變性進(jìn)行測(cè)量，降溫速率和攪拌時(shí)間與實(shí)際管輸情況相同，見表2、表3，攪拌轉(zhuǎn)速150r／min，到達(dá)測(cè)量溫度恒溫至溫度穩(wěn)定，記錄扭矩儀示數(shù)。

表2 某實(shí)際管道參數(shù)Table 2 A practical pipeline parameters

表3 管道沿程降溫速率Table 3 Cooling rate along pipeline

2 結(jié)果及分析

采用快速降溫法和管輸模擬法對(duì)加劑量分別為400、600、900μg／g油水懸浮液不同溫度下黏度進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)稠油水基降黏劑進(jìn)行評(píng)價(jià)［14－15］。

2.1 快速降溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果

快速降溫法測(cè)量不同加劑量、不同溫度下油水懸浮液的黏度見圖3。

圖3 快速降溫不同加劑量油水懸浮液黏溫曲線Fig.3 Viscosity－temperature curve of fast cooling with different doses

采用快速降溫法測(cè)量的油水懸浮液黏度值計(jì)算得到不同溫度、不同加劑量下水基降黏劑評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。

表4 快速降溫法對(duì)降黏劑評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Evaluation results in rapid cooling method

由圖3和表4可知，加劑量400μg／g，油水懸浮液溫度降至50 ℃，降黏率仍高達(dá)98.0%，降黏效果明顯，且加劑量在400～900μg／g時(shí)，隨著加劑量增大稠油水基降黏劑的降黏效果變好。

2.2 管輸模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

管輸模擬法測(cè)量不同加劑量、不同溫度下油水混合物的黏度見圖4。

圖4 管輸模擬不同加劑量油水混合物黏溫曲線Fig.4 Viscosity－temperature curve of fast cooling with different doses

由圖4可知，相同加劑量、相同溫度條件下，管輸模擬法對(duì)油水混合物黏度的測(cè)量值明顯高于快速降溫法的測(cè)量值。管輸模擬實(shí)驗(yàn)中，油水懸浮液在低溫下發(fā)生轉(zhuǎn)相，形成W／O 乳狀液，引起混合物黏度明顯增大。

采用管輸模擬法對(duì)不同溫度下、不同加劑量水基降黏劑的評(píng)價(jià)結(jié)果見表5。

由表5可知，溫度在50℃，加劑量400μg／g，降黏率 僅 為2.9%；加 劑 量900 μg／g，降 黏 率 為80.6%。管輸模擬剪切與實(shí)際管輸運(yùn)行條件一致，模擬過程中W／O 乳狀液的形成是造成黏度增大、降黏率下降的主要原因。

3 結(jié)論

快速降溫法和管輸模擬法對(duì)稠油水基降黏劑的評(píng)價(jià)結(jié)果存在較大差異，攪拌強(qiáng)度對(duì)稠油水基降黏劑效果的評(píng)價(jià)具有重要影響?？焖俳禍胤〝嚢钑r(shí)間較短，對(duì)油水混合物的剪切程度較弱，不能準(zhǔn)確反映水基降黏劑的實(shí)際降黏效果。管輸模擬法攪拌時(shí)間和攪拌強(qiáng)度與實(shí)際管輸情況一致，可以準(zhǔn)確模擬流體在管道內(nèi)的剪切歷史，保證稠油水基降黏劑評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此建議采用管輸模擬法進(jìn)行稠油水基降黏劑的評(píng)價(jià)。

［1］ Shadi W H，Mamdouh T G，Nabil E.Heavy crude oil viscosity reduction and rheology for pipeline transportation［J］.Fuel，2010，89（1）：1095－1100.

［2］ Adekunle OPAWALE.Oilfield emulsion control：A major issue during heavy crude oil production［J］.SPE128352.

［3］ 李玉鳳.加劑原油輸送過程中的剪切作用模擬方法［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2005，24（11）：9－12.

［4］ 楊飛，李傳憲，林名楨，等.乳化條件對(duì)O／W 稠油乳液流變性的影響［J］.石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2009，22（3）：51－54.

［5］ Hassan Alkanari，Osamah Alomair，Adel Elsharkawy.Heavy oil viscosity measurements：Accuracy，reliability，and repeatability［J］.SPE160879.

［6］ 張紅，蔣鴻水，劉珮羽，等.超稠原油降黏劑的應(yīng)用性能［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2012，31（3）：165－166.

［7］ 劉景華.稠油乳化降黏方法初探［J］.電大理工，2012（1）：4－5.

［8］ Meng Jiang，Ren Liancheng，Wei Xiaolin，et al.Heavy oil O／W emulsion properties under the test loop conditions［J］.OGST，2012，31（3）：167－170.

［9］ 徐誠(chéng)，黃啟玉，黃小娟，等.破乳劑對(duì)含水稠油流變性的影響［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2010，29（9）：664；672.

［10］ 張勁軍，嚴(yán)大凡.利用能量耗散率計(jì)算管流的平均剪切率［J］.石油學(xué)報(bào)，2002，23（5）：88－90.

［11］ 張勁軍，黃啟玉，嚴(yán)大凡.管輸剪切模擬攪拌槽中流體平均剪切率的計(jì)算［J］.石油學(xué)報(bào)，2003，24（2）：94－96.

［12］ Houari Ameur，Mohamed Bouzit.Power consumption for stirring shear thinning fluids by two－blade impeller［J］.Energy，2012（11）：1－7.

［13］ 張勁軍，張帆，黃啟玉，等.絕熱攪拌槽內(nèi)流體平均剪切速率的一種計(jì)算方法［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2002，23（6）：703－706.

［14］ 孫強(qiáng)，申龍涉.超稠油摻水溶性乳化降黏劑降黏試驗(yàn)［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009，28（2）：43－46.

［15］ 李樹剛，霍彥.塔河稠油乳化降黏劑的研制及性能評(píng)價(jià)［J］.化學(xué)工程與裝備，2011（9）：31－32.