大慶-俄羅斯混合原油觸變性規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究*

雷啟盟，董航，司明林，丁慧

（1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.中國(guó)石油天然氣管道局第四工程分公司（中國(guó)石油天然氣管道局穿越分公司），河北廊坊065000）

大慶-俄羅斯混合原油觸變性規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究*

雷啟盟1，董航1，司明林2，丁慧1

（1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.中國(guó)石油天然氣管道局第四工程分公司（中國(guó)石油天然氣管道局穿越分公司），河北廊坊065000）

針對(duì)不同比例的大慶-俄羅斯混合原油，采用流變測(cè)試方法對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件下混合原油的觸變規(guī)律進(jìn)行研究。重點(diǎn)考察降溫速率、剪切速率、靜置時(shí)間等因素對(duì)含蠟混合原油觸變性的影響規(guī)律。結(jié)果表明，相比于單一種類原油，混合原油觸變性發(fā)生很大改變，隨摻混俄油比例增加，混合原油動(dòng)平衡表觀粘度下降，從結(jié)構(gòu)破壞達(dá)到動(dòng)平衡的時(shí)間和表觀粘度衰減量逐漸減小，混合原油流動(dòng)性具有很大改善。隨著降溫速率、剪切速率、靜置時(shí)間的增加，含蠟原油從結(jié)構(gòu)破壞達(dá)到動(dòng)平衡的時(shí)間和表觀粘度衰減量均逐漸減小，但摻混比例對(duì)動(dòng)平衡表觀粘度的影響變化復(fù)雜，存在非線性變化特征。

混合原油；流變實(shí)驗(yàn)；觸變性；表觀粘度

含蠟原油在低溫條件下，由于蠟晶的析出并長(zhǎng)大以及蠟晶之間的絮凝，所以表現(xiàn)出不同程度的觸變性［1］。在含蠟原油管道輸送過(guò)程中，觸變性是衡量其低溫流動(dòng)性的重要指標(biāo)，直接影響到管道啟動(dòng)的壓力、流量和時(shí)間等，是評(píng)價(jià)含蠟原油管道停輸再啟動(dòng)安全性的重要基本資料［2］。為了有效提高管道的輸送效率，解決低輸量管道的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問(wèn)題，常采用不同種類原油混合輸送的管輸方式。但混合后的原油觸變性往往發(fā)生復(fù)雜變化，不僅受實(shí)際管輸條件影響，還與混合原油的比例有關(guān)。目前，針對(duì)原油流變性的研究已有相關(guān)研究報(bào)道，如含蠟原油的粘溫特性［3，4］、粘彈性［5，6］和膠凝結(jié)構(gòu)的屈服特性［7］。但針對(duì)混合原油的觸變性變化規(guī)律研究相對(duì)較少，而觸變性對(duì)于混合原油停輸再啟動(dòng)過(guò)程的安全性評(píng)價(jià)具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)儀器

RheolabQC型旋轉(zhuǎn)流變儀（德國(guó)Anton Paar公司）；空冷溫控電子元件控溫；SC/AC-S型水浴恒溫箱（HAAKE公司）。

1.2 原油預(yù)處理

為消除油樣的剪切歷史和熱歷史，對(duì)油樣進(jìn)行水浴加熱預(yù)處理，將實(shí)驗(yàn)油樣溫度加熱到80℃，恒溫2h，然后自然冷卻至室溫，并靜置48h。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)選取大慶油田儲(chǔ)運(yùn)銷售分公司所轄?wèi)c哈輸油管道輸送的大慶原油與俄羅斯原油進(jìn)行油樣配比，分別配制大慶-俄羅斯原油比例為5：1和3：1兩種比例混合油樣。分別對(duì)大慶原油、混合油樣（5：1）和混合油樣（3：1）進(jìn)行觸變性實(shí)驗(yàn)，探討降溫速率、靜置時(shí)間和剪切速率等實(shí)驗(yàn)條件相同時(shí)，不同摻混比例對(duì)混合油樣觸變性結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)方案Tab.1 Experimental program

2 結(jié)果與討論

2.1 不同降溫速率的觸變性測(cè)試

選取降溫速率分別為0.5、0.8和1℃·min-1，在較高剪切速率剪切50min，再讓其結(jié)構(gòu)恢復(fù)50min，對(duì)慶油、混合油樣（5：1）和混合油樣（3：1）進(jìn)行觸變性測(cè)試。

通過(guò)對(duì)3種不同比例混合原油的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到降溫速率對(duì)混合原油觸變性的影響規(guī)律，見(jiàn)圖1～3。

從圖1～3可以看出，恒溫靜置的混合原油（觸變性流體），在恒定剪切速率下，測(cè)得流體的剪切應(yīng)力隨時(shí)間而連續(xù)下降，即表觀粘度基本上不再隨時(shí)間而下降。隨著剪切時(shí)間的增加，原油會(huì)呈現(xiàn)出動(dòng)平衡狀態(tài)，即表觀粘度基本上不再隨時(shí)間而變化。在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，經(jīng)歷高剪切速率剪切的流體，觸變性流體已產(chǎn)生與特定高剪切速率相應(yīng)的剪切流動(dòng)，當(dāng)改換為恒定低剪切速率測(cè)定時(shí)，其表觀粘度隨時(shí)間迅速上升，遠(yuǎn)高于高剪切速率下的表觀粘度，并且每種降溫速率下各比例油樣呈現(xiàn)相同規(guī)律。在其他實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，無(wú)論哪種降溫速率，純慶油的表觀粘度最大，慶俄3：1油樣的表觀粘度次，慶俄5：1油樣的表觀粘度最小。即隨著俄油所占比例的增加，混合原油結(jié)構(gòu)恢復(fù)后表觀粘度減小，觸變性減弱。

圖1 0.5℃·min-1時(shí)表觀粘度隨時(shí)間的變化Fig.1 Change of apparent viscosity with time at0.5℃·min-1

圖2 0.8℃·min-1時(shí)表觀粘度隨時(shí)間的變化Fig.2 Change ofapparentviscosity with time at0.8℃·min-1

圖3 1℃·min-1時(shí)表觀粘度隨時(shí)間的變化Fig.3 Change of apparent viscosity with time at 1℃·min-1

表2 觸變性原油結(jié)構(gòu)破壞達(dá)到動(dòng)平衡的時(shí)間（min）Tab.2 Thixotropic structure of crude oil from damage to the dynamic balance time（min）

從表2可以看出，在其他實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，不同比例的混合原油在結(jié)構(gòu)破壞達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)，純慶油所需時(shí)間最長(zhǎng)，慶俄3：1油樣次之，慶俄5：1油樣最小。即隨著俄油所占比例的增加，觸變性原油結(jié)構(gòu)破壞達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)所需時(shí)間減小。結(jié)構(gòu)衰減過(guò)程中，相同實(shí)驗(yàn)條件下，達(dá)到動(dòng)平衡的時(shí)間不呈現(xiàn)線性關(guān)系。同時(shí)，每種比例的混合原油隨著降溫速率的增加，其結(jié)構(gòu)破壞達(dá)到動(dòng)平衡的時(shí)間逐漸減小。

表3 初始與達(dá)到動(dòng)平衡表觀粘度的衰減量（mPa·s）Tab.2 A mount of attenuation between the initial viscosity and the dynamic equilibrium viscosity（mPa·s）

從表3可以看出，在其他實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，不同比例的混合原油在結(jié)構(gòu)破壞達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)，純慶油表觀粘度衰減量最大，混合油樣5：1次之，混合油樣3：1最小。即隨著俄油所占比例的增加，觸變性原油結(jié)構(gòu)破壞達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)表觀粘度衰減量減小。

2.2 不同剪切速率的觸變測(cè)試

選取剪切速率分別為25、50、80s-1，在較高剪切速率剪切50min，再讓其結(jié)構(gòu)恢復(fù)50min，對(duì)慶油、混合油樣（5：1）和混合油樣（3：1）進(jìn)行觸變性測(cè)試。

通過(guò)對(duì)3種不同比例油樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到剪切速率對(duì)混合原油觸變性的影響規(guī)律，見(jiàn)圖4～6。

圖4 25s-1時(shí)表觀粘度隨時(shí)間的變化Fig.4 C hange of apparent viscosity with time in 25s-1

圖5 50s-1時(shí)表觀粘度隨時(shí)間的變化Fig.5 Change of apparent viscosity with time in 50s-1

圖6 80s-1時(shí)表觀粘度隨時(shí)間的變化Fig.6 Change of apparent viscosity with time in 80s-1

從圖4～6可以看出，在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，在高剪切速率下隨著剪切速率的增加，原油的表觀粘度減??；當(dāng)改換為恒定低剪切速率時(shí)，其表觀粘度隨時(shí)間迅速上升（遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高剪切速率下的表觀粘度），此時(shí)表現(xiàn)為原油觸變性，并且每種剪切速率下各比例油樣呈現(xiàn)相同規(guī)律。在其他實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，無(wú)論哪種剪切速率，純慶油的表觀粘度最大，慶俄3：1油樣的表觀粘度次，慶俄5：1油樣的表觀粘度最小。即隨著俄油所占比例的增加，混合原油結(jié)構(gòu)恢復(fù)后表觀粘度減小，觸變性減弱。

表4 觸變性原油結(jié)構(gòu)破壞達(dá)到動(dòng)平衡的時(shí)間（min）Tab.4 Thixotropic structure of crude oil from damage to the dynamic balance time（min）

從表4可以看出，在其他實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，不同比例的混合原油在結(jié)構(gòu)破壞達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)，純慶油所需時(shí)間最長(zhǎng)，慶俄3：1油樣次之，慶俄5：1油樣最小。即隨著俄油所占比例的增加，觸變性原油結(jié)構(gòu)破壞達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)所需時(shí)間減小。同時(shí)，每種比例的混合原油隨著剪切速率的增加，其結(jié)構(gòu)破壞達(dá)到動(dòng)平衡的時(shí)間逐漸減小。

表5 初始與達(dá)到動(dòng)平衡表觀粘度的衰減量（mPa·s）Tab.5 Amount of attenuation between the initial viscosity and the dynamic equilibrium viscosity（mPa·s）

從表5可以看出，在其他實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，不同比例的混合原油在結(jié)構(gòu)破壞達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)，純慶油表觀粘度衰減量最大，混合油樣5：1次之，混合油樣3：1最小。即隨著俄油所占比例的增加，觸變性原油結(jié)構(gòu)破壞達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)表觀粘度衰減量減小。

2.3 改變靜置時(shí)間的觸變測(cè)試

選取靜置時(shí)間分別為20、30、40，在較高剪切速率剪切50min，再讓其結(jié)構(gòu)恢復(fù)50min，對(duì)慶油、混合油樣（5：1）和混合油樣（3：1）進(jìn)行觸變性測(cè)試。

通過(guò)對(duì)3種不同比例油樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到靜置時(shí)間對(duì)混合原油觸變性的影響規(guī)律，見(jiàn)圖7～9。

圖7 靜置20min時(shí)表觀粘度隨時(shí)間的變化Fig.7 Change of apparent viscosity with time in static 20min

圖8 靜置30min時(shí)表觀粘度隨時(shí)間的變化Fig.8 Change of apparent viscosity with time in static 30min

圖9 靜置40min時(shí)表觀粘度隨時(shí)間的變化Fig.9 Change of apparent viscosity with time in static 40min

從圖7～9可以看出，在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，在高剪切速率下隨著剪切速率的增加，原油的表觀粘度減?。划?dāng)改換為恒定低剪切速率時(shí)，其表觀粘度隨時(shí)間迅速上升（遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高剪切速率下的表觀粘度），此時(shí)表現(xiàn)為原油觸變性，并且每種靜置時(shí)間下各比例油樣呈現(xiàn)相同規(guī)律。在其他實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，純慶油的表觀粘度最大，慶俄3：1油樣的表觀粘度次，慶俄5：1油樣的表觀粘度最小。即隨著俄油所占比例的增加，混合原油結(jié)構(gòu)恢復(fù)后表觀粘度減小，觸變性減弱。

表6 觸變性原油結(jié)構(gòu)破壞達(dá)到動(dòng)平衡的時(shí)間（min）Tab.6 Thixotropic structure of crude oil from damage to the dynamic balance time（min）

從表6可以看出，在其他實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，不同比例的混合原油在結(jié)構(gòu)破壞達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)，純慶油所需時(shí)間最長(zhǎng)，慶俄3：1油樣次之，慶俄5：1油樣最小。即隨著俄油所占比例的增加，觸變性原油結(jié)構(gòu)破壞達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)所需時(shí)間減小。同時(shí)，每種比例的混合原油隨著剪切速率的增加，其結(jié)構(gòu)破壞達(dá)到動(dòng)平衡的時(shí)間逐漸減小。

表7 初始與達(dá)到動(dòng)平衡表觀粘度的衰減量（mPa·s）Tab.7 Amount of attenuation between the initial viscosity and the dynamic equilibrium viscosity（mPa·s）

從表7可以看出，在其他實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，不同比例的混合原油在結(jié)構(gòu)破壞達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)，純慶油表觀粘度衰減量最大，混合油樣5：1次之，混合油樣3：1最小。即隨著俄油所占比例的增加，觸變性原油結(jié)構(gòu)破壞達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)表觀粘度衰減量減小。

3 結(jié)論

（1）恒溫靜置的原油（觸變性流體），在恒定剪切速率下，測(cè)得流體的剪切應(yīng)力隨時(shí)間而連續(xù)下降，即表觀粘度隨剪切時(shí)間而下降；隨著剪切時(shí)間的增加，原油會(huì)呈現(xiàn)出動(dòng)平衡狀態(tài)，即剪切應(yīng)力基本上不再隨時(shí)間而變化。

（2）不同實(shí)驗(yàn)條件下，隨摻混俄油比例增加，混合原油動(dòng)平衡表觀粘度下降，從結(jié)構(gòu)破壞達(dá)到動(dòng)平衡的時(shí)間和表觀粘度衰減量逐漸減小，含蠟原油的觸變性減弱，流變性具有很大改善。對(duì)比不同實(shí)驗(yàn)工況，摻混比例對(duì)動(dòng)平衡表觀粘度的影響變化復(fù)雜，存在非線性變化特征。

（3）隨著降溫速率、剪切速率、靜置時(shí)間的增加，含蠟原油從結(jié)構(gòu)破壞達(dá)到動(dòng)平衡的時(shí)間和表觀粘度衰減量均逐漸減小。

［1］Lee Chi H,Moturi Venkat,Lee Yugyung.Thixotropic property in pharmaceuticalformulations［J］.JournalofControlled Release,2009, 136（2）.

［2］張勁軍，朱應(yīng)如，李鴻英，等.含蠟原油特征溫度實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油學(xué)報(bào)，2007，28（4）：112-114；118.

［3］林棋,婁晨.混合原油粘度計(jì)算模型歸納淺析［J］.中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2014,（12）：251；249.

［4］王曉梅,艾慕陽(yáng).利用生產(chǎn)數(shù)據(jù)確定管輸含蠟原油的粘溫關(guān)系［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn),2008,（5）：21-23；65；69.

［5］王丹.含蠟原油粘彈性與蠟晶結(jié)構(gòu)的關(guān)系研究［D］.中國(guó)石油大學(xué),2011.

［6］劉榮花.膠凝原油黏彈塑性破壞過(guò)程研究［D］.中國(guó)石油大學(xué)（華東）,2014.

［7］蘭浩.膠凝原油屈服特性及環(huán)道啟動(dòng)過(guò)程研究［D］.中國(guó)石油大學(xué),2010.

Experimental study on law of contact denaturation of Daqing-Russian mixed crude oil*

LEI Qi-meng1,DONG Hang1,SI Ming-lin2,DING Hui1
（1.College of Petroleum Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China;2.China Petroleum and Natural Gas Pipeline Bureau fourth Engineering Branch Company（China Petroleum and natural gas pipeline branch）,Langfang 065000, China）

According to the different proportion of Daqing-Russian mixed crude oil,to study the regularity of mixed crude oil thixotropy under different experimental conditions by using rheological test method.The effects of cooling rate,shear rate and settling time on the properties of waxy crude oil were investigated.The results show that, compared with the single type of crude oil,the mixed crude oil has changed greatly.The apparent viscosity of mixed crude oil is decreased with the increase of the proportion of mixed Russian oil,and the time and apparent viscosity attenuation of dynamic equilibrium is decreased gradually from the structural failure,and the fluidity of mixed crude oil is greatly improved.With the increase of cooling rate,shear rate and standing time,the amount of time and apparent viscosity of waxy crude oil to reach dynamic equilibrium decreased gradually.However,the influence of blending ratio on the apparent viscosity of dynamic equilibrium is complex,and there are nonlinear variation characteristics.

mixed crude oil;rheological experiment;thixotropy;apparent viscosity

TE832.3

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170117

2016-10-11

中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2014D-5006-0607）；東北石油大學(xué)青年基金項(xiàng)目（NEPUBS201505）；東北石油大學(xué)優(yōu)秀科研人才培育基金資助（SCXHB201601）；東北石油大學(xué)優(yōu)秀科研人才培育基金項(xiàng)目（SCXHB201601）

雷啟盟（1990-），男，黑龍江佳木斯人，在讀碩士研究生，研究方向：原油流變學(xué)。