高含水原油流動沉積實驗裝置研制

呂朝旭，邢曉凱，柯魯峰，龐帥，趙亞南

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高含水原油流動沉積實驗裝置研制

呂朝旭1，邢曉凱1，柯魯峰1，龐帥2，趙亞南1

（1. 中國石油大學(xué)(北京) 油氣管道輸送安全國家工程實驗室/城市油氣輸配技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102249； 2. 中國石油工程建設(shè)有限公司 北京設(shè)計分公司，北京 100085）

設(shè)計并搭建高含水原油實驗裝置，裝置主要包括試驗管路、油水分離系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)。設(shè)計出有機玻璃管水浴實驗段，以便觀測流動形貌和初始沉積過程，基于射流噴射混合器原理完成油水混合裝置的設(shè)計，使管內(nèi)流動狀態(tài)與現(xiàn)場實際相符合。為保證在實驗過程中游離水和原油的有效分離，以游離水分離器為基礎(chǔ)，設(shè)計出適用于高含水原油分離的油水分離器。同時設(shè)計出配套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)，有效解決了實驗數(shù)據(jù)采集和參數(shù)調(diào)控的問題。經(jīng)過實驗驗證，該實驗裝置能夠較好地適應(yīng)高含水原油流動沉積研究。

高含水原油；實驗裝置；初始沉積；油水分離器

隨著油田開發(fā)的深入，國內(nèi)大部分油田都已步入開發(fā)后期，采出液含水量急劇升高，部分油田甚至處于含水率85%以上的特高含水期，如繼續(xù)采用常規(guī)的加熱輸送工藝，會造成嚴重的資源浪費。與此同時，含水量的增加使得采出液流動性得以改善，使得低溫集輸流動具有了可行性。因此不加熱集輸工藝逐漸成為各大油田最常采用的集輸流程之一。在不加熱集輸過程中，油水呈分層流動狀態(tài)，水為連續(xù)相，油為分散相，油極易發(fā)生掛壁現(xiàn)象，使得管道內(nèi)摩阻增大，流通面積減少，管內(nèi)壓降增大，嚴重時甚至?xí)斐晒芏味氯焕诩數(shù)陌踩M行[1?9]。

因此開展高含水條件下原油沉積特性的相關(guān)研究顯得尤為重要。通過開發(fā)高含水原油流動與沉積實驗裝置，模擬高含水原油流動狀況，為高含水原油流動和沉積特性的探究提供了相關(guān)的實驗平臺。對于保證油田安全生產(chǎn)，實現(xiàn)企業(yè)的降本增效有著十分重要的意義。

1 實驗裝置簡介

裝置系統(tǒng)由離心水泵、齒輪油泵、油管路、水管路及實驗段構(gòu)成的實驗管路系統(tǒng)，電路控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和油水分離系統(tǒng)組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。

圖1　實驗裝置原理

圖2　實驗裝置示意圖

實驗管路系統(tǒng)是整個裝置的核心部位，是進行流型觀察和沉積實驗的載體。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能是在實驗過程中收集壓降數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、流量數(shù)據(jù)等實驗資料，同時通過監(jiān)測流量數(shù)據(jù)的變化，及時調(diào)整水泵、油泵的頻率。油水分離系統(tǒng)的主要功能是將從實驗管道流出的油水混合物分離出來，完成水路循環(huán)和油路循環(huán)，保證實驗的可持續(xù)進行。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 油水兩相體系生成和控制

實驗裝置需要模擬高含水原油流動和初始沉積過程，因此需要在油水管道交匯處設(shè)置混合裝置，并設(shè)置一定長度的穩(wěn)定段，用于將不同溫度，流量條件下的油水充分混合，發(fā)展流型。

根據(jù)高含水原油實驗的要求，設(shè)計了基于射流噴射混合器原理并結(jié)合靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)的高含水油水兩相混合裝置，即T型混合裝置。該混合裝置為一個類三通結(jié)構(gòu)，在油水混合進口設(shè)置孔板使流體呈錯流形式流入主流體，以加大擾動，實現(xiàn)油水流體的快速混合。上游來油、來水以垂直流動的方式于該裝置內(nèi)混合并在流動發(fā)展段內(nèi)進行流型發(fā)展，使其能夠在實驗段內(nèi)得到穩(wěn)定的流動形態(tài)。流動發(fā)展段為一水平管段，使用Fluent軟件對油水混合過程進行模擬，發(fā)現(xiàn)當流動發(fā)展段長度為1.5 m時，油水混合溫度與設(shè)定的管流溫度基本一致，在誤差范圍內(nèi)。因此水平發(fā)展段的長度設(shè)定為1.5 m?；旌掀鹘Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　混合器示意圖

2.2 實驗段的設(shè)計

為了保證相關(guān)功能的實現(xiàn)，設(shè)計了帶有水浴功能和引壓裝置的有機玻璃實驗段水浴槽。實驗段水浴槽一共由三個部分組成：有機玻璃管，配備恒溫水浴裝置的有機玻璃水槽，有機玻璃法蘭。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　實驗段示意圖

有機玻璃管段長1.24 m，內(nèi)徑29 mm，壁厚3 mm，置于有機玻璃水槽的1/2高度。有機玻璃法蘭底部設(shè)有螺紋孔，用于連接引壓管和差壓變送器。恒溫水浴裝置通過與水浴槽之間的水循環(huán)控制水浴槽內(nèi)的水溫，以模擬管外壁的埋地溫度。

借助自行設(shè)計的實驗段，研究人員能夠直接觀測運動形貌和初始沉積過程，采集實驗段的壓降數(shù)據(jù)。采用法蘭連接的方式同兩端不銹鋼管路連接，可以較為方便的觀測管內(nèi)沉積情況和取樣。另外，為了提高實驗結(jié)果的準確性，避免實驗結(jié)果較大偶然誤差的出現(xiàn)，設(shè)置了參比段，參比段的設(shè)計參數(shù)同實驗段完全相同。

2.3 油水分離裝置設(shè)計

實驗裝置在進行油水兩相流實驗時，油水混合物從實驗段流出，流入油水分離器進行分離，以實現(xiàn)實驗的可持續(xù)性。結(jié)合實驗要求以及實驗所用油水條件，油水分離器的主體結(jié)構(gòu)參照游離水脫除器，依照游離水脫除器裝置尺寸設(shè)計公式進行尺寸計算[10]，并參考機械脫水器原理對裝置結(jié)構(gòu)進行合理改進。

2.3.1分離器尺寸計算計算條件：設(shè)定油水混合物溫度20 ℃，油的體積分數(shù)0.1，水密度1 000 kg/m3,處理量3 m3/h，原油黏度和密度分別為2 000 mPa·s和850 kg/m3，分出粒徑為300 μm的油滴。

設(shè)有一粒徑為o的油滴，浮升至分離器底距離為w的油水界面所需時間為o。o應(yīng)等于或小于污水流經(jīng)分離器所需時間w，即ow。在推導(dǎo)分離器計算式時，假設(shè)水在容器內(nèi)呈塞狀流動，即過水面積上各處的水流流速相同,油滴在室內(nèi)的浮升遵循stoke’s定律。

由分出油滴o的必要條件，可得

2.1 在13 452例正常聽力孕前/產(chǎn)前婦女，檢出至少含有1個位點突變的攜帶者451例，總體檢出率3.35%。在耳聾突變基因攜帶者中，以GJB2基因的235delC和SLC26A4基因IVS7-2A>G雜合突變?yōu)橹鳎謩e為205例和132例；線粒體突變27例(詳見表1)。

式中，o為油的上浮終速，m/s；w為水的平均水平流速，m/s；為分離器內(nèi)徑，m；e為分離器有效重力分離段長度，m；d為無量綱油水界面高，d=w/。

式中，w為分離器水處理量，m3/s；w、分別為過水截面面積和分離器截面面積，m3；為過水截面無量綱截面積，w/。

由于存在黏度較大的分散油相，水的有效黏度增大，水相黏度計算公式為：

但是經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)和文獻查閱[11]，在20 ℃ 時體積含水率90%的油水混合物，油水分層明顯，油相黏度較大，水相黏度很小。大慶油田高含水原油的表觀黏度在100 mPa·s以下。所以設(shè)定水相黏度為100 mPa·s。

式(2)在式(7)基礎(chǔ)上推導(dǎo)得來，沒有考慮到水的真實流動有別于塞狀流，容器內(nèi)存在湍流、旋渦等情況，因而需要在式(2)中的分母中引入大于1的設(shè)計系數(shù)，對水處理量修正。推薦的設(shè)計系數(shù)計算式為：

考慮設(shè)計系數(shù)后，式(2)為：

容器的制造費用與直徑的立方成正比、與長度呈線性關(guān)系。按處理單位體積水的容器制造費用分析，存在最優(yōu)長徑比。制造商采用的長徑比常在1.7~5.0，并且文獻[12]推薦w應(yīng)小于0.03 m/s。

因為在室內(nèi)實驗，e/長徑比不應(yīng)設(shè)置過大，所以取長徑比2.0、2.5、3.0。根據(jù)式(9)計算半徑、長度以及水在容器內(nèi)的流速，計算結(jié)果見表1。

表1　油水分離器尺寸計算結(jié)果

設(shè)w/為0.5，=0.5，d=0.5代入式(10)計算水流速。

設(shè)w/為，=0.825 1，d=0.769代入式(11)計算水流速。

通過表1對比可知，在油水界面比為0.5，長徑比為2.0時，所占的面積最小，并且流速最低。實驗場地有限，為最大化利用使用場地，決定使用長徑比為2.0，即分離器直徑度為0.6 m，長度為1.2 m為分離器尺寸。

2.3.2分離器設(shè)計根據(jù)計算結(jié)果，以游離水脫除器的結(jié)構(gòu)為依托，設(shè)計出了適用于相關(guān)實驗的油水分離器，分離器結(jié)構(gòu)見圖5，使用長方體代替圓筒結(jié)構(gòu)主要是為了加工方便，容易支撐。油水分離器由傾斜堰板、油水分離室、油水擋板、游離水沉降室和回水泵5部分構(gòu)成。

此油水分離器能夠?qū)τ退旌衔镞M行二次分離，可以較好地分離油水混合物，同時設(shè)置有回水泵和回油泵，能夠保證油水的循環(huán)流動，保證沉積實驗的連續(xù)進行。

圖5　分離器模型圖

2.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于實驗數(shù)據(jù)的采集，主要包括硬件和軟件，硬件主要為數(shù)據(jù)采集卡，軟件為數(shù)據(jù)采集軟件，圖6為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

2.4.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件本實驗需要采集的參數(shù)包括包括流量、溫度，可控點較少，數(shù)據(jù)采集量不大，實驗時間保持在數(shù)小時，特殊的不會超過24 h，并不需要長時間的持續(xù)運行?？紤]到該裝置隨實驗要求變化需具備可拓展性，硬件控制系統(tǒng)要有一定的容納裕量。因此，控制系統(tǒng)選擇計算器IPC為控制核心，其作為外部接口的PCI接口應(yīng)用廣泛，可以很好的滿足實驗數(shù)據(jù)采集要求。數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)采集卡為研華PCI?1710HG，它是一款PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡。

圖6　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件本實驗的數(shù)據(jù)采集軟件是通過NI公司開發(fā)的Labview軟件編輯而成[13]。其圖形化界面可以方便快捷的進行軟件開發(fā)[14]，在測試測量、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)字信號處理等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，基于相關(guān)實驗的設(shè)計要求編寫如下界面圖，如圖7所示。該界面共有六個功能區(qū)塊，分別為壓差實時顯示區(qū)、流量實時顯示區(qū)、溫度實時顯示區(qū)、多通道顯示區(qū)、單通道顯示區(qū)、數(shù)據(jù)保存區(qū)，能夠?qū)崿F(xiàn)對實驗系統(tǒng)溫度、流量、壓降的監(jiān)控和記錄，同時能夠觀測實驗參數(shù)的變化情況。

圖7　數(shù)據(jù)采集軟件界面

3 裝置可行性實驗

為檢驗裝置可行性，選取水流量0.6 m3/h，體積含油率5%，主流溫度30 ℃，水浴溫度27 ℃的實驗條件，通過該實驗裝置，進行高含水原油流動和沉積的試驗性實驗。如圖8所示，通過實驗段透明有機玻璃管，分別觀測到原油流動形態(tài)，初始沉積情況和管道內(nèi)壁沉積層截面圖。

圖9為實驗段兩端的壓降變化曲線，該段壓降在初始階段上升較慢，實驗運行1 h后壓降急劇上升至1 200 Pa左右，并維持該壓降范圍至實驗結(jié)束。該壓降趨勢圖說明，高含水原油初始沉積存在積累階段，隨著實驗時間的增加，沉積速度明顯加快，當實驗進行一段時間后，管道沉積進入黏壁—沖刷—黏壁的過程，管段壓降處于動態(tài)平衡狀態(tài)。通過分析上述實驗結(jié)果并與前人研究的結(jié)果對比，認為該實驗裝置能夠較好的完成高含水原油流動和沉積實驗研究，實現(xiàn)了預(yù)定的設(shè)計目標。

圖8　原油運動沉積及內(nèi)壁沉積情況

圖9　實驗段壓降

4 結(jié)論

(1) 設(shè)計并搭建了高含水原油流動沉積實驗裝置，經(jīng)過調(diào)試和試探性研究，認為該實驗裝置達到設(shè)計要求，為后續(xù)高含水原油流動和沉積的研究提供了保障，并且為相關(guān)類型課題的研究工作提供了借鑒和參考。

(2) 該油水混合裝置能夠很好的完成特高含水條件下的油水混合，利用油泵、水泵，油、水流量計等設(shè)備能實現(xiàn)對油水比例的控制。有機玻璃水浴槽的設(shè)計實現(xiàn)了對埋地溫度的模擬和對油水流型和油流運動狀態(tài)的觀察。油水分離器可以在實驗過程中較快完成游離水和油水乳狀液的有效分離，保證了油相和水相的循環(huán)，提高了實驗的自動化程度。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)保證了采集信號的穩(wěn)定，有利于實驗數(shù)據(jù)的采集，并且設(shè)計溫控系統(tǒng)實現(xiàn)了對油罐、油管、水罐溫度的精準控制。

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(編輯 王亞新)

Development on Experimental Equipment for the Flow and Deposition of High Water-Cut Crude Oil

Lü Zhaoxu1， Xing Xiaokai1， Ke Lufeng1， Pang Shuai2， Zhao Yanan1

(；）

An experimental device for high water?cut crude oil is designed and built, which mainly includes test pipeline, oil?water separation system, data acquisition system and circuit control system. The test section is designed of organic glass tube with a water bath, which observes flow morphology and initial deposition process. Considering the working conditions in the production site, oil?water mixing device is designed by drawing lesson of the principle of jet mixer. In order to ensure the effective separation of free water and crude oil during the experiment, an oil?water separator suitable for high water?cut crude oil is designed on the basis of free water separator. At the same time, a data acquisition system and circuit control system are designed, which can effectively solve the problems of data acquisition and parameter control. After Experimental verification, the experimental device can fulfill the research work of flow and deposition of high water?cut crude oil.

High water?cut crude oil； Experimental device； Initial deposition text section； Oil?water separator unsteady heat transfer

TE967

A

10.3969/j.issn.1006?396X.2018.06.013

2018?02?06

2018?06?25

國家自然科學(xué)基金項目（51574259）。

呂朝旭(1994?)，男，碩士研究生，從事多相管流及油氣田地面集輸方面研究；E?mail：lvzhaoxu52@126.com。

邢曉凱(1970?)，男，博士，副教授，從事多相管流及油氣田地面集輸方面研究；E?mail：xingxiaokai2015@126.com。

1006396X（ 2018）06008206

http://journal.lnpu.edu.cn