超高含水原油混合流動(dòng)及初始沉積特性*

邢曉凱，呂朝旭，劉珈銓

(中國石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室/城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

隨著油田進(jìn)入開發(fā)后期，采出液中含水量急劇升高[1-6]。高水低油的情況下，原油和水在管道中分層流動(dòng)，原油呈現(xiàn)出不規(guī)則塊狀、條狀等形態(tài)，在管輸過程中容易與管壁發(fā)生碰撞，形成粘壁現(xiàn)象。原油粘壁現(xiàn)象的出現(xiàn)減小了管道流通面積，導(dǎo)致井口回壓升高、管道壓降增加，從而影響油田的正常生產(chǎn)。與此同時(shí)，進(jìn)行海洋石油開采時(shí)，采出物通常為多相混合物，由于海底管道建設(shè)成本的高昂，多采用多相混輸方式進(jìn)行采出物的集輸作業(yè)。管道內(nèi)通常為油水、油氣甚至油氣水三相混輸，管輸介質(zhì)的復(fù)雜性使得海底管道中也常常出現(xiàn)原油沉積，并且多相流原油沉積過程遠(yuǎn)比單相流原油沉積過程復(fù)雜[7-8]。

目前針對(duì)原油沉積的研究集中在蠟沉積方面，主要針對(duì)含水率、溫度、流型、折算速度等流動(dòng)參數(shù)對(duì)原油沉積的影響作用進(jìn)行研究[9-25]。Bern等[26]和黃啟玉[27]認(rèn)為分子擴(kuò)散是蠟沉積的主要機(jī)理。Hoffmann等[21]發(fā)現(xiàn)除分子擴(kuò)散外，膠凝作用也作用于蠟沉積過程，在低流速、超高含水率的條件下，膠凝作用在沉積過程中占主導(dǎo)地位。Jennings和Weispfennig[22]發(fā)現(xiàn)當(dāng)乳狀液含水率高于30%時(shí)，隨著含水率的增加，沉積物質(zhì)量隨之增加，但是沉積物中蠟含量降低，他們認(rèn)為含水率的增加，使得膠凝作用在蠟沉積過程中發(fā)揮主導(dǎo)作用，弱化了分子擴(kuò)散作用。Wang等[23]認(rèn)為膠凝作用是油水兩相流蠟沉積機(jī)理中不可忽略的，在油溫較高時(shí)，分子擴(kuò)散在蠟沉積過程中起主導(dǎo)作用，當(dāng)溫度較低時(shí)，膠凝作用在蠟沉積過程中起主導(dǎo)作用。此外，Anosike[24]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水為連續(xù)相、油為分散相時(shí)，只要含蠟原油能夠與管壁直接接觸就會(huì)產(chǎn)生蠟沉積。

事實(shí)上超高含水原油沉積同一般蠟沉積有所區(qū)別，在超高含水條件下，管輸溫度接近原油凝點(diǎn)，遠(yuǎn)低于原油析蠟點(diǎn)，壁面溫差較小，僅相差2～5 ℃。本研究針對(duì)超高含水原油管輸含水量高、集輸溫度低的特點(diǎn)，重點(diǎn)探究溫度、含水率和混合流速等實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)超高含水原油混合流動(dòng)和初始沉積過程的影響規(guī)律和作用機(jī)理。文獻(xiàn)[1-7]中對(duì)于超高含水原油各有界定，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，本文所研究的超高含水原油的綜合體積含水率為93%～97%。

1 油品物性及實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)所用原油為大慶原油。為確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，參考文獻(xiàn)[28-29]對(duì)實(shí)驗(yàn)原油進(jìn)行預(yù)處理。表1中展示預(yù)處理后原油的基本物性。

表1 原油物性Table 1 Physical properties of crude oil

圖1為自行設(shè)計(jì)的超高含水原油混合流動(dòng)沉積實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置能夠完成原油流動(dòng)和沉積過程的影像記錄、壓降測(cè)量、沉積層厚度測(cè)量和取樣工作?？梢酝ㄟ^該裝置探究超高含水原油混合流動(dòng)過程，以及溫度、流量與含水率等參數(shù)對(duì)超高含水原油初始沉積的影響。實(shí)驗(yàn)裝置具體介紹見文獻(xiàn)[30]。

圖1 混合流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of the experimental installation for mixed flow

本研究中，試驗(yàn)段和參比段的恒溫水浴槽溫度設(shè)定為恒低于實(shí)驗(yàn)溫度2 ℃，以模擬現(xiàn)場(chǎng)管道所處環(huán)境溫度。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)體積含水率范圍在93%～97%，且原油比熱容遠(yuǎn)小于水，假設(shè)油水混合物中油相體積為x、密度為ρx、比熱容為cx、混合前溫度為Tx，油水混合物中水相體積為y、密度為ρy、比熱容為cy、混合前溫度為Ty，油水混合物的溫度Txy可由下式計(jì)算得出：

(1)

經(jīng)過計(jì)算，在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，油水混合物的溫度與水溫相差均在0.2 ℃內(nèi)，所以可以控制水溫來改變實(shí)驗(yàn)溫度。

2 超高含水原油運(yùn)動(dòng)形態(tài)及初始沉積

圖2展示超高含水原油體積含水率為97%、混合流速為0.40 m/s時(shí)，原油運(yùn)動(dòng)形態(tài)與實(shí)驗(yàn)溫度的關(guān)系?？梢钥闯龉軆?nèi)油水分層流動(dòng)，原油在上層呈間歇型流動(dòng)。隨著實(shí)驗(yàn)溫度的降低，原油流動(dòng)性惡化，液態(tài)油滴逐漸膠凝化由表面光滑的油滴轉(zhuǎn)換為不規(guī)則的膠凝油塊，塊狀原油形狀的不規(guī)則性促使塊狀原油相互碰撞，繼而凝結(jié)成更大的油塊。

圖2 原油流動(dòng)形態(tài)Fig.2 Flow patterns of crude oil

與此同時(shí)，結(jié)合圖3和圖4分析可知隨著實(shí)驗(yàn)溫度的降低，原油運(yùn)動(dòng)形態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致初始沉積過程分為蔓延沉積過程和粘連沉積過程兩類。

蔓延沉積過程：當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度高于原油凝點(diǎn)，原油以油滴的形態(tài)向前運(yùn)動(dòng)，油水混合物流經(jīng)局部管件時(shí)，受到擾動(dòng)，油滴黏附在管道頂部?jī)?nèi)壁，隨著黏附過程的進(jìn)行，局部管件處黏附的原油量達(dá)到粘壁原油層厚度的臨界值。此時(shí)，粘壁原油層向下游發(fā)展，最終使得管道上壁面形成均勻的沉積層。沉積層的存在使得管道流通面積減小，原油運(yùn)動(dòng)形態(tài)由初始的小油滴轉(zhuǎn)變?yōu)椴ɡ耸降挠土鳎驮诠艿乐械牧鲃?dòng)空間開始由上壁面逐漸向四周壁面擴(kuò)展，當(dāng)運(yùn)行足夠長(zhǎng)時(shí)間后，管道內(nèi)壁四周均會(huì)形成沉積層。

粘連沉積過程：當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度降低至凝點(diǎn)以下時(shí)，油滴變?yōu)椴灰?guī)則油塊，油塊棱角與管道上壁面接觸，在水流沖刷作用下，一部分與壁面接觸的油塊棱角斷裂，油塊隨著水流向前移動(dòng)，另一部分油塊繼續(xù)附著于管壁上壁面處，形成初始凝油層。初始凝油層的出現(xiàn)，使得管壁的“粗糙度”增大，促進(jìn)了油塊的黏附。隨著管道上壁面沉積層的出現(xiàn)，管道流通面積縮小，不規(guī)則大油塊在管道中運(yùn)動(dòng)時(shí)，不可避免地碰撞到管道四周壁面，導(dǎo)致管道四周壁面均有沉積物出現(xiàn)。但同時(shí)，由于油水密度差的存在，更多的原油塊在管道上層貼壁運(yùn)動(dòng)，最終導(dǎo)致大量沉積物集中在管道頂部，管道四周黏附少量沉積物。

圖3 蔓延沉積過程(33 ℃)Fig.3 Spreading sedimentation process

圖4 粘連沉積過程(27 ℃)Fig.4 Adhesive deposition process

與通常的油氣水多相流蠟沉積過程[22-25,31-33]相比，超高含水原油初始沉積過程除沉積過程發(fā)展較快、壓降上升幅度較大之外，更重要的是，當(dāng)初始沉積過程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，從圖5中可以看到管道內(nèi)壁下方也沉積有少量原油。

圖5 沉積層截面圖Fig.5 Sedimentary cross section

使用高溫氣相色譜儀對(duì)所采集的管壁沉積物的碳數(shù)分布進(jìn)行分析，由圖6(a)可知，體積含水率97%、流速0.4 m/s時(shí)不同實(shí)驗(yàn)溫度下沉積物的碳數(shù)分布極為接近，高碳數(shù)成分多于實(shí)驗(yàn)原油，說明超高含水時(shí)，溫度對(duì)沉積物碳數(shù)分布的影響很小即溫度對(duì)分子擴(kuò)散的影響較小。與此同時(shí)，對(duì)28 ℃、混合流速0.40 m/s時(shí)相同實(shí)驗(yàn)時(shí)間，3種體積含水率率下壁面沉積物的碳數(shù)分布進(jìn)行分析，如圖6(b)?？芍S著含水率的降低，沉積物中的高碳數(shù)組分增加，低碳數(shù)組分減少，即含油量的增加促進(jìn)了沉積層的老化。

圖6 沉積物碳數(shù)分布Fig.6 Carbon number distributions in sediments

3 超高含水原油初始沉積規(guī)律

本節(jié)探究溫度、流速、含油率等影響因素對(duì)超高含水原油初始沉積過程的影響。流動(dòng)介質(zhì)流經(jīng)管道的壓降變化反映管內(nèi)沉積情況，故選擇壓降作為反映初始沉積程度的指標(biāo)。

3.1 溫度對(duì)初始沉積的影響

圖7展示體積含水率為97%、油水混合流速為0.4 m/s時(shí)，試驗(yàn)段壓降與實(shí)驗(yàn)溫度之間的關(guān)系。結(jié)合圖3、圖4，可將超高含水原油初始沉積過程劃分為3個(gè)階段。

1)沉積誘導(dǎo)期：從油水混合物開始流經(jīng)試驗(yàn)管道至壓降迅速上升前的一段時(shí)期。該階段壓降趨于不變或者緩慢上升，壓降總體變化較小。該階段結(jié)束時(shí)，管道內(nèi)壁僅存在少量沉積物。

2)快速沉積期：從壓降開始迅速上升至壓降達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的一段時(shí)期。該階段壓降呈現(xiàn)快速上升的趨勢(shì)，管道內(nèi)壁開始出現(xiàn)大量沉積物，并且能夠通過肉眼直接觀察到沉積過程的發(fā)展。該階段結(jié)束后，壓降基本達(dá)到最大值。

3)沉積動(dòng)態(tài)平衡期：試驗(yàn)管道壓降達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，壓降值在一定的范圍內(nèi)上下波動(dòng)的一段時(shí)期。該階段試驗(yàn)管道壓降趨于穩(wěn)定，管道內(nèi)壁沉積物脫離和沉積達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。由圖3(d)和圖4(d)可知，當(dāng)初始沉積過程處于動(dòng)態(tài)平衡期時(shí)，管道內(nèi)壁沉積層基本形成。

圖7 不同條件下的試驗(yàn)段壓降變化Fig.7 Pressure drop change of the experimental section under different experimental conditions

從圖7(a)可以看出，實(shí)驗(yàn)溫度下降，沉積誘導(dǎo)期縮短，沉積速度明顯，沉積達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的壓降增大。此外，實(shí)驗(yàn)溫度越低，溫度的改變對(duì)初始沉積過程的影響越大。

溫度改變對(duì)初始沉積過程的影響可能是以下作用導(dǎo)致的：1)初始沉積過程中存在膠凝作用。由于含水率較高且實(shí)驗(yàn)溫度均在原油凝點(diǎn)附近甚至低于凝點(diǎn)，膠凝作用在初始沉積過程中占據(jù)主導(dǎo)作用，隨著實(shí)驗(yàn)溫度的下降,膠凝作用對(duì)初始沉積的影響越來越大。2)圖6(a)中不同實(shí)驗(yàn)溫度下沉積物碳數(shù)分布情況說明雖然存在壁面溫差，但是由于溫差較小以及含油量較低，在初始沉積過程中分子擴(kuò)散的作用較小，實(shí)驗(yàn)溫度的改變對(duì)分子擴(kuò)散的影響較弱。即實(shí)驗(yàn)溫度改變對(duì)超高含水初始沉積過程的影響主要是通過加強(qiáng)或減弱膠凝作用。

3.2 流速對(duì)初始沉積的影響

保持體積含水率97%不變，在28和26 ℃兩種實(shí)驗(yàn)溫度下，選取0.40、0.33和0.26 m/s 3種油水混合流速進(jìn)行初始沉積實(shí)驗(yàn)研究，探究油水混合流速對(duì)沉積過程的影響。這里“混合流速”為油水混合物的體積流量換算得到的平均流速。

圖7(b)展示兩種實(shí)驗(yàn)溫度下，試驗(yàn)段壓降隨流速的變化情況。可以看出，隨著混合物流速的下降，同一溫度下不同流速帶來的變化主要體現(xiàn)在沉積動(dòng)態(tài)平衡階段的壓降動(dòng)態(tài)平衡值存在差異。油水混合流速增加，降低了壓降的動(dòng)態(tài)平衡值即減弱了原油沉積程度。當(dāng)溫度26 ℃時(shí)，3種流速下原油沉積速度和沉積動(dòng)態(tài)平衡期的壓降均高于28 ℃時(shí)，這同從圖7(a)中所得到的規(guī)律一致。

油水混合流速改變對(duì)初始沉積過程的影響可能是以下作用導(dǎo)致的：1)由于壁面溫差的存在，隨著油水混合流速的增加，管道內(nèi)部熱量傳遞加劇，導(dǎo)致流動(dòng)介質(zhì)和壁面沉積層之間的溫度梯度增加，促使原油沉積特別是蠟沉積過程的發(fā)生和加劇。2)與此同時(shí)，隨著油水混合流速的增加，流動(dòng)介質(zhì)和壁面沉積層之間的剪切力變大，剪切剝離作用加劇，原油沉積難度增加，抑制了原油沉積過程。3)超高含水原油初始沉積過程中同時(shí)存在分子擴(kuò)散和剪切剝離作用，然而改變流速，剪切剝離作用對(duì)初始沉積過程的影響遠(yuǎn)大于分子擴(kuò)散作用。因此，油水混合流速的增加，會(huì)抑制初始沉積過程，使得沉積達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的壓降減小。

3.3 含水率對(duì)初始沉積的影響

圖7(c)展示油水混合流速為0.40 m/s，兩種實(shí)驗(yàn)溫度下，試驗(yàn)段壓降與含水率之間的關(guān)系。可以看出，其他實(shí)驗(yàn)條件不變，體積含水率的降低導(dǎo)致沉積達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的壓降增加。當(dāng)溫度26 ℃時(shí)，3種流速下快速沉積期的沉積速度和沉積達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的壓降高于28 ℃時(shí)，這同從圖7(a)中所得到的規(guī)律一致。

體積含水率改變對(duì)初始沉積過程的影響可能是以下作用導(dǎo)致的：1)相同混合流速和實(shí)驗(yàn)溫度下，體積含水率降低即原油含量增加，原油與管道內(nèi)壁的接觸面積變大，膠凝作用增強(qiáng)，加劇了原油的沉積，同時(shí)也加劇了流動(dòng)原油與壁面沉積層之間的分子擴(kuò)散作用，促使原油在管道壁面處沉積。2)與此同時(shí)，隨著體積含水率的降低，水的折算速度減小，相同油水混合流速下，流動(dòng)介質(zhì)對(duì)于壁面沉積層的剪切剝離作用被削弱，促進(jìn)了原油在壁面處的沉積過程。

4 結(jié)論

1)同一般的油水混合流動(dòng)相似，超高含水原油混合流動(dòng)時(shí)油水分層流動(dòng)，油相在上，水相在下。所不同的是，由于超高含水的特點(diǎn)，原油呈現(xiàn)間歇性運(yùn)動(dòng)，隨著實(shí)驗(yàn)溫度的下降，原油流動(dòng)性惡化，液態(tài)油滴逐漸膠凝化由表面光滑的油滴轉(zhuǎn)換為不規(guī)則的膠凝油塊，塊狀原油形狀的不規(guī)則性促使塊狀原油相互碰撞，繼而凝結(jié)成更大的油塊。與此同時(shí)，原油運(yùn)動(dòng)形態(tài)和實(shí)驗(yàn)溫度的變化，將超高含水原油初始沉積過程分為蔓延沉積過程和粘連沉積過程兩類。

2)超高含水原油初始沉積過程可以分為3個(gè)階段：沉積誘導(dǎo)期、快速沉積期、沉積動(dòng)態(tài)平衡期。由于超高的體積含水率，超高含水原油初始沉積過程中，同時(shí)存在剪切剝離作用，膠凝作用和分子擴(kuò)散作用。實(shí)驗(yàn)溫度改變對(duì)原油初始沉積過程的影響主要是通過增強(qiáng)或者減弱沉積過程中的膠凝作用和分子擴(kuò)散作用?；旌狭魉僮兓瘜?duì)初始沉積的影響主要是改變油水混合物與管道內(nèi)壁之間的剪切剝離強(qiáng)度，進(jìn)而促進(jìn)或者抑制沉積。體積含水率的降低，不僅增強(qiáng)了原油的膠凝作用，使得原油沉積的質(zhì)量增加，更加劇了分子擴(kuò)散作用，使得沉積層老化，硬度增加。