稠油乳化輸送試驗環(huán)道裝置研制及應(yīng)用

寇 杰， 張新策， 劉建國

(中國石油大學(xué)(華東) 儲運與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580)

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稠油乳化輸送試驗環(huán)道裝置研制及應(yīng)用

寇 杰， 張新策， 劉建國

(中國石油大學(xué)(華東) 儲運與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580)

為研究稠油乳狀液在實際管道中的流動特性，彌補流變儀等儀器的缺點，研制了一種試驗環(huán)道裝置。利用該裝置對勝利陳南稠油乳狀液進行了輸送試驗，模擬了稠油乳狀液在管道中的實際流動情況，并與流變儀測試結(jié)果進行對比。試驗表明：含水率對稠油乳狀液黏度影響很大，含水率高于40%時出現(xiàn)轉(zhuǎn)相點，最佳含水率為45%；乳狀液輸送存在一個最佳混合流速，流速過高乳狀液表觀黏度有增大趨勢；稠油乳狀液表觀黏度隨溫度的升高而減小，溫度對O/W型稠油乳狀液表觀黏度的影響很??；在相同實驗條件下，流變儀測試結(jié)果與環(huán)道試驗結(jié)果規(guī)律一致，但表觀黏度值偏小。

稠油乳狀液； 環(huán)道裝置； 實際流動； 表觀黏度

0 引 言

目前，稠油的開發(fā)與輸送越來越受到全球的關(guān)注，乳化降黏技術(shù)是稠油降黏開發(fā)與輸送中效果比較明顯的技術(shù)之一[1-5]，但乳狀液在管道中的輸送特性問題仍是制約稠油乳化降黏輸送應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

由于流變儀等室內(nèi)儀器與實際輸送環(huán)境差異大而不能如實反映乳狀液在管道中剪切情況和流變性質(zhì)，且測試數(shù)據(jù)難以直接用于實際管道運輸[6]，本文研制一套稠油乳化輸送試驗環(huán)道裝置，利用該裝置對稠油乳狀液進行實際管道流動模擬實驗，分析乳狀液的流變特性，為稠油乳化降黏輸送技術(shù)提供理論依據(jù)，促進乳化降黏技術(shù)的發(fā)展。

1 實驗裝置

1.1 裝置組成

自行研制了一套室內(nèi)環(huán)道試驗裝置，其流程示意如圖1所示。該裝置環(huán)道總長度為22.87 m，其中直管段部分長為15.8 m，全部采用雙層套管技術(shù)。另外，環(huán)道的長短也可根據(jù)具體情況進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。裝置主要由供油系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、掃線系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。其中，供油系統(tǒng)由輸油泵、回流緩沖罐和加熱攪拌罐三部分組成；測量系統(tǒng)由質(zhì)量流量計、壓力傳感器、壓差傳感器和溫度傳感器四部分組成；溫控系統(tǒng)由恒溫水浴、水浴循環(huán)泵、保溫層等組成；掃線系統(tǒng)由空氣壓縮機、連接壓縮機的軟管等組成；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集卡、各類傳感器、直流電源和數(shù)據(jù)采集軟件等設(shè)備組成。

1-質(zhì)量流量計，2-取樣口，3-回流緩沖罐，4-水浴恒溫罐，5-加熱攪拌罐，6-水浴循環(huán)泵，7-齒輪泵，8-放樣口

圖1 稠油乳化輸送試驗環(huán)道裝置示意圖

1.2 試驗過程

將待測試油樣加入加熱攪拌罐加熱，達到預(yù)定溫度后倒入緩沖罐，改變變頻調(diào)速器的輸出頻率，以使泵轉(zhuǎn)速達到實驗所需流量的速度。啟動齒輪泵，將測試流體泵入實驗環(huán)道中，完成一次循環(huán)后進入回流緩沖罐進行緩沖及回收利用。在循環(huán)過程中不斷采集試驗數(shù)據(jù)，循環(huán)結(jié)束后，關(guān)閉齒輪泵，打開空氣壓縮機，對環(huán)道系統(tǒng)進行掃線，使殘留流體吹回至回流緩沖罐[7-8]。

2 環(huán)道應(yīng)用

為驗證試驗環(huán)道裝置能否真實地反映稠油乳狀液在實際管道中的流動情況，利用該裝置對稠油乳狀液進行了環(huán)道試驗。取來自勝利油田陳南聯(lián)合站的稠油與優(yōu)選的乳化劑配制成稠油乳狀液。主要探討了含水率、混合流速、溫度對乳狀液管輸黏度的影響，并與流變儀測試結(jié)果進行對比。

2.1 處理方法

在查閱文獻[9-14]和環(huán)道測試試驗的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了適用于該環(huán)道的黏度計算方法，具體的黏度求解過程如下：

式中：ΔP為測試管段壓降，Pa；L為測試點之間長度，m；ρm為乳狀液密度，ρm=ρwφw+ρo(1-φw)，kg/m3；νm為混合流速，m/s；d為管內(nèi)徑，m。

由于C、n取值與乳狀液的流態(tài)有關(guān)，故需將上式求得的μm代入雷諾數(shù)定義式中進行反算，判斷是否滿足假設(shè)流態(tài)，不滿足則改變C、n取值繼續(xù)反算，直到符合假設(shè)為止。

2.2 含水率對乳狀液管輸黏度的影響

通過對環(huán)道試驗采集到的數(shù)據(jù)進行處理，得到了不同溫度下含水率與稠油乳狀液表觀黏度的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 不同溫度下含水率與稠油乳狀液表觀黏度的關(guān)系圖

由圖可以得出：含水率低于40%時，稠油乳狀液的表觀黏度隨含水率的增大而增大，超過40%后，表觀黏度急劇減小，由此說明轉(zhuǎn)相點的含水率大于40%；當(dāng)含水率大于55%時，表觀黏度趨于平穩(wěn)，這是由于O/W型乳狀液連續(xù)相是水，黏度隨著水相體積分?jǐn)?shù)的增大不斷減小，最后基本接近水相黏度；不同溫度下，含水率對表觀黏度的影響規(guī)律基本一致，但溫度越高，表觀黏度整體下降，且含水率越低，下降幅度越明顯，這是由于稠油黏度對溫度的敏感度遠高于水；在相同實驗條件下，按照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[15]進行流變儀測試，結(jié)果與環(huán)道試驗結(jié)果規(guī)律一致，但表觀黏度值偏小。

總之，含水率對稠油乳狀液表觀黏度影響很大，合理地選擇含水率對稠油乳化輸送和后續(xù)破乳脫水處理具有重要意義。Sharma等[16]認(rèn)為，當(dāng)乳狀液的表觀黏度介于100～400 mPa·s之間，具有良好的經(jīng)濟效益，又考慮到節(jié)約水資源和工藝的復(fù)雜性，建議采用含水率45%。

2.3 混合流速對乳狀液管輸黏度的影響

在溫度50 ℃下，測得了不同含水率下乳狀液表觀黏度與混合流速的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 不同含水率下乳狀液表觀黏度與混合

由圖可以得出：含水率為40%時，隨著混合流速即剪切速率的增大，表觀黏度迅速下降，表現(xiàn)出很強的剪切稀釋性，這表明稠油乳狀液為非牛頓流體，受流速變化影響很大，性質(zhì)很不穩(wěn)定；當(dāng)含水率增大到50%時，稠油乳狀液表觀黏度隨流速的增大變化很??；當(dāng)含水率為60%時，表觀黏度基本不再受剪切速率影響，這表明此時乳狀液基本表現(xiàn)為牛頓流體特性；觀察含水率50%和60%的曲線可以發(fā)現(xiàn)，在流速為2.0～2.5 m/s，乳狀液表觀黏度有一最小值，流速大于2.5 m/s之后，表觀黏度有增大趨勢，這是因為剪切速率過大，導(dǎo)致分散相粒徑過小，分散相之間的作用力增大，從而使表觀黏度表現(xiàn)出增大的趨勢。由此可以得出乳狀液輸送存在一個最佳混合流速，在本次實驗中可以得出最佳流速范圍為2.0～2.5 m/s。

在含水率50%情況下，改變溫度，測得不同溫度下乳狀液表觀黏度與混合流速的關(guān)系，如圖4所示。由圖看出：在含水率50%情況下，表觀黏度受混合流速的影響很小，而只與溫度有關(guān)，表現(xiàn)為牛頓流體特性，性質(zhì)比較穩(wěn)定，符合管輸基本要求。在相同實驗條件下，流變儀測試結(jié)果與環(huán)道試驗結(jié)果規(guī)律一致，但表觀黏度值偏小。

圖4 不同溫度下乳狀液表觀黏度與混合

2.4 溫度對乳狀液管輸黏度的影響

繪制不同含水率下稠油乳狀液黏溫曲線，如圖5所示。

圖5 不同含水率下稠油乳狀液黏溫關(guān)系圖

由圖可以得出：稠油乳狀液表觀黏度隨溫度的升高不斷減??；不同含水率下稠油乳狀液黏溫曲線規(guī)律一致，但變化幅度不同，含水率越高，表觀黏度隨溫度的變化越小。這是由于含水率較高時，水的黏度對乳狀液表觀黏度起主導(dǎo)作用，而水的黏度受溫度影響很??；溫度對O/W型稠油乳狀液表觀黏度的影響很小，只要形成穩(wěn)定的乳狀液，可以大幅度較低輸送溫度，減少能耗，提高經(jīng)濟效益[17]。針對陳南稠油乳狀液，建議溫度在40～50 ℃。在相同實驗條件下，流變儀測試結(jié)果與環(huán)道試驗結(jié)果規(guī)律一致，但表觀黏度值偏小。

3 結(jié) 語

研制了稠油乳化輸送試驗環(huán)道裝置，實現(xiàn)了動態(tài)模擬稠油乳狀液在管道中的流動特性。其規(guī)律與利用流變儀所測規(guī)律基本一致，但流變儀所測表觀黏度數(shù)值偏小，這可能是流變儀本身容量小，易產(chǎn)生滑移現(xiàn)象和與實際剪切作用不同所致?？梢姡迷撗b置對稠油乳化輸送研究更具有參考價值和實際意義。

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Development and Application of Test Loop Device for Heavy Oil Emulsifying Transportation

KOUJie，ZHANGXin-ce，LIUJian-guo

(College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum(East China)， Qingdao 266555， China)

In order to study the flow characteristic of heavy oil emulsion in the actual pipeline and to make up for the shortcomings of rheology instrument，a test loop device is developed. The authors used this device to carry out transporting test for the heavy oil of Chennan in Shenli, and simulated the actual flow characteristics of heavy oil emulsion in the pipe. The test results were compared with that of the rheometer. The influence regularity of water content，mixed flow velocity and temperature on the viscosity of emulsion pipe were obtained. Experiments show that：the water content has a great influence on the viscosity of heavy oil emulsion. When the water content is greater than 40%，the phase transition point appears. There is an optimum water content which is 45%. Besides there is an optimum mixture velocity. When flow rate is too high the emulsion viscosity increased. Heavy oil emulsion viscosity decreases with the increase of temperature，but the temperature has little effect on the viscosity of O/W type emulsion. Under the same experimental conditions，the test results of the rheometer agree with the test results of this test loop device，but the apparent viscosity of using rheometer is a little smaller.

heavy oil emulsion； loop device； actual flow； apparent viscosity

2015-01-08

中國石油科技創(chuàng)新基金研究項目(2012D-5006-0603)

寇 杰(1969-)，男，江蘇贛榆人，博士，教授，研究方向：多相管流及油氣田集輸技術(shù)；油氣儲運系統(tǒng)安全工程；油氣長距離管輸技術(shù)。Tel.：13969877559；E-mail: chuyunk@126.com

TE 866

A

1006-7167(2015)11-0060-03