水平管內(nèi)水環(huán)輸送模擬稠油減阻特性

敬加強(qiáng)，尹曉云，MASTOBAEV Boris N，VALEEV Anvar R，孫杰，王思汗，劉華平，莊樂(lè)泉，范崢嶸

（1 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都610500；2 油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都611731；3 Department of Transport and Storage of Oil and Gas，Ufa State Petroleum Technological University，Russia Ufa 450062；4 西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710049）

隨著石油資源需求的不斷增長(zhǎng)和常規(guī)原油的日漸枯竭，世界原油供應(yīng)呈重質(zhì)化的發(fā)展趨勢(shì)，儲(chǔ)量豐富的稠油勢(shì)必會(huì)成為今后重要的石油接替資源[1]。但稠油黏度高、密度大、流動(dòng)性差的特點(diǎn)給其開(kāi)采與儲(chǔ)運(yùn)帶來(lái)極大困難與挑戰(zhàn)，其降黏減阻采輸技術(shù)一直以來(lái)備受世界石油界的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的稠油降黏減阻方法主要包括加熱法[2]、摻稀法[3]、乳化法[4]、改質(zhì)法[5]，但這些方法普遍存在能耗大、建設(shè)成本及運(yùn)行費(fèi)用高、油品品質(zhì)變化大等問(wèn)題。為此，學(xué)者們提出低黏水相貼壁形成環(huán)狀潤(rùn)滑層包裹在高黏稠油外部，以阻隔油相與管壁直接接觸的水環(huán)輸送法。水環(huán)輸送法不僅可以大幅降低泵送能耗，還可以減少油相對(duì)管壁的污染，且易于實(shí)現(xiàn)稠油的常溫輸送[6]。

目前，國(guó)外學(xué)者對(duì)水環(huán)輸送稠油技術(shù)的研究較為廣泛和深入，主要涉及水環(huán)生成器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[7-9]、油-水兩相流流型特征與壓降規(guī)律的試驗(yàn)探索及理論分析[10-14]、油-水環(huán)狀流穩(wěn)定性的增強(qiáng)方法[15-18]、水環(huán)輸送管道的停輸再啟動(dòng)問(wèn)題[19-21]等方面。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)該領(lǐng)域的研究起步相對(duì)較晚，主要以理論分析與數(shù)值模擬為主[6,22-26]，而與試驗(yàn)相關(guān)的研究工作則相當(dāng)少[27-29]，可供參考借鑒的文獻(xiàn)非常有限。

本文采用較黏稠的500#白油和自來(lái)水作為研究對(duì)象，基于自主設(shè)計(jì)的水環(huán)輸送稠油減阻模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬研究相應(yīng)的水平管流流型特征及阻力特性，分析兩相表觀流速及入口含水率對(duì)減阻效果與輸油效能的影響，并確定試驗(yàn)條件下水環(huán)輸送白油的最佳工況范圍，可為今后現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施稠油水環(huán)輸送工藝時(shí)提供一定的理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

由于普通稠油呈深黑色，黏附于管壁后不易清洗，油-水兩相流流型的檢測(cè)與識(shí)別將會(huì)受到較大程度的干擾。因此，試驗(yàn)選用黏度和密度相當(dāng)?shù)?00#白油作為模擬油樣，進(jìn)而開(kāi)展水環(huán)輸送稠油減阻試驗(yàn)，同時(shí)在油中加入一種“油溶黑”染色劑，便于試驗(yàn)時(shí)的流型觀察。采用比重瓶法，測(cè)定20℃時(shí) 的 白 油 密 度 為 902kg/m3。 利 用HAAKE Viscotester iQ Air 流變儀，測(cè)試白油在20～80℃范圍內(nèi)的流變特性及黏溫特性如圖1 所示。由此可知，模擬白油在測(cè)試溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出牛頓流體特性，其黏度隨溫度升高迅速降低后趨于平緩，測(cè)得20℃黏度為1055.3mPa·s。試驗(yàn)用水來(lái)自成都自來(lái)水供應(yīng)廠，其20℃時(shí)的密度與黏度分別為998.2kg/m3和1.005mPa·s。

圖1 白油的流變特性及黏溫特性

1.2 試驗(yàn)裝置

稠油水環(huán)輸送減阻試驗(yàn)裝置主要由油水供給系統(tǒng)、管路測(cè)試系統(tǒng)、吹掃系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，其流程如圖2 所示。整套裝置管線總長(zhǎng)約為15m，其中測(cè)試管段（L=0.9m，ID=25mm）所用材料為硬質(zhì)聚氯乙烯塑料（UPVC）。測(cè)試段兩端裝有引壓孔，連接CYQ-3051DP差壓變送器測(cè)試該段流體壓降，且靠近測(cè)試段末端布設(shè)2F04C高速攝像機(jī)及配套LED光源，拍攝油-水兩相流型。

油水供給系統(tǒng)由油路和水路組成。油路主要包括50L儲(chǔ)油罐、ZYB-83.3高溫渣油泵、LWGY-830渦輪流量計(jì)、閥門(mén)等部件，儲(chǔ)油罐內(nèi)油品經(jīng)渣油泵加壓、渦輪流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入水環(huán)發(fā)生器，與水相混合；水路主要包括50L儲(chǔ)水罐、CVL4-16立式不銹鋼多級(jí)離心泵、LDC-QX315 電磁流量計(jì)、閥門(mén)等部件，儲(chǔ)水罐內(nèi)自來(lái)水經(jīng)離心泵加壓、電磁流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入水環(huán)發(fā)生器，與油相混合。吹掃系統(tǒng)主要由V-0.60/8空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、調(diào)壓閥等部件構(gòu)成，用于每組試驗(yàn)結(jié)束后的管路吹掃，以利于后續(xù)試驗(yàn)中壓差的準(zhǔn)確測(cè)量及流型的清晰觀察。

本試驗(yàn)所應(yīng)用的水環(huán)發(fā)生器如圖3所示。水環(huán)發(fā)生器總長(zhǎng)200mm，由內(nèi)筒和外筒兩部分組成。內(nèi)筒作為油流通道，其內(nèi)徑為21mm；外筒作為水流通道，其內(nèi)徑為25mm，則發(fā)生器的環(huán)隙寬度為2mm。油流沿水平方向進(jìn)入管道中心，水流沿垂直方向進(jìn)入環(huán)形空間，實(shí)現(xiàn)油水兩相的同軸流動(dòng)，油水兩相向前流過(guò)一段距離后產(chǎn)生接觸面，形成水環(huán)包裹在核心油流外部的環(huán)狀流形態(tài)。

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)Bannwart[30]提出的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定存在的條件及準(zhǔn)則，本試驗(yàn)選定油與水的表觀流速范圍分別為0.3～1.0m/s 與0.11～0.72m/s，設(shè)定入口含水率范圍為0.13～0.49。水環(huán)潤(rùn)滑減阻試驗(yàn)均在20℃室溫下進(jìn)行，其具體步驟如下：首先，將室溫下的油和水分別加入儲(chǔ)油罐和儲(chǔ)水罐；其次，開(kāi)啟水路閥門(mén)和水泵，使試驗(yàn)管路充滿水，讓水充分潤(rùn)濕管壁；再次，開(kāi)啟油路閥門(mén)和油泵；接著，通過(guò)變頻器和旁通閥調(diào)節(jié)油水流量至設(shè)定值；隨后，一定流量的油和水通過(guò)水環(huán)發(fā)生器形成穩(wěn)定環(huán)狀流，依次經(jīng)過(guò)下游壓差測(cè)量和流型拍攝管段；最后，測(cè)試流體流入油水分離罐進(jìn)行靜置分離，分離后的油水分別通過(guò)出油口和出水口流入各自的儲(chǔ)罐內(nèi)，實(shí)現(xiàn)油和水在試驗(yàn)管路中的循環(huán)流動(dòng)。試驗(yàn)過(guò)程中，待油水流量穩(wěn)定后，拍攝流型圖像并采集相關(guān)數(shù)據(jù)（壓降、流量等流動(dòng)參數(shù)），以分析水環(huán)輸送稠油的流動(dòng)特征及減阻特性。試驗(yàn)結(jié)束后，打開(kāi)空氣壓縮機(jī)，對(duì)試驗(yàn)管路進(jìn)行吹掃。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

1.4.1 折算系數(shù)

為探究壓降隨油-水兩相流流速的變化規(guī)律及評(píng)價(jià)水環(huán)潤(rùn)滑輸送稠油的減阻效果，定義油-水穩(wěn)定流動(dòng)的壓力梯度折減比即折算系數(shù)RF，其計(jì)算如式(1)所示。

1.4.2 輸油效率

由于與普通輸油方式相比，在相同管輸量下，水環(huán)輸送稠油的摩阻和輸油量均會(huì)減小。因此，引入單位壓力梯度的平均輸油量即輸油效率η來(lái)評(píng)價(jià)水環(huán)輸送稠油的效益[31-32]，其計(jì)算如式(2)所示。

圖2 試驗(yàn)裝置

圖3 水環(huán)發(fā)生器

2 結(jié)果與討論

2.1 流型特征

油-水兩相在不同流量下的典型流型特征如圖4 所示。圖中Uos表示油相表觀流速，分別為0.3～1.0m/s（間隔0.1m/s），Uws表示水相表觀流速，對(duì)應(yīng)Uos8 個(gè)表觀流速下的Uws范圍分別為0.11～0.29m/s、0.12～0.37m/s、 0.16～0.48m/s、 0.13～0.46m/s、0.12～0.54m/s、 0.12～0.52m/s、 0.15～0.62m/s、0.18～0.72m/s。

試驗(yàn)中觀察到的流型總體上呈水環(huán)包裹核心油流的環(huán)狀流結(jié)構(gòu)，即油核在管道中心區(qū)域流動(dòng)，環(huán)狀水膜在管壁附近流動(dòng)。由于油水密度差的存在，核心油流上浮而水下沉，導(dǎo)致管道頂部水膜減薄，底部水膜增厚，最初的同心液環(huán)流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槠囊涵h(huán)流動(dòng)。且隨著流動(dòng)距離和流動(dòng)時(shí)間的增長(zhǎng)，油相最終會(huì)與管壁接觸，使水環(huán)遭到破壞。但因本試驗(yàn)所用管道長(zhǎng)度較短，偏心液環(huán)能在整個(gè)管段內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)，因此在試驗(yàn)過(guò)程中始終未觀察到油滴黏附在管壁的現(xiàn)象。

2.2 壓降規(guī)律

2.2.1 入口含水率的影響

不同油相表觀流速下含水率Cw對(duì)油-水兩相環(huán)狀流壓力梯度的影響如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，對(duì)于7組油相表觀流速的不同水相表觀流速組合，隨Cw增大，壓力梯度Δpow/L均呈單調(diào)上升趨勢(shì)。且在相同含水率條件下，油相表觀流速越大，壓力梯度越大。究其原因，主要是由于在試驗(yàn)工況下，油-水環(huán)狀流都處于相對(duì)穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)，因而增大含水率，非但不能明顯增強(qiáng)環(huán)狀流流動(dòng)的穩(wěn)定性，反而會(huì)增大油水總流量，結(jié)果使得油-水環(huán)狀流體系的流動(dòng)阻力增大。

2.2.2 水表觀流速的影響

圖6展示了不同油相表觀流速下水相表觀流速Uws對(duì)油-水兩相環(huán)狀流壓力梯度的影響。如圖6所示，壓力梯度Δpow/L 隨Uws的變化規(guī)律與其隨入口含水率的變化規(guī)律類(lèi)似，即單調(diào)上升。這是由于平衡穩(wěn)定的環(huán)狀流形成后，水流速的增加幾乎不會(huì)對(duì)其穩(wěn)定性的提高有所幫助，而會(huì)增強(qiáng)油水界面間的摻混擾動(dòng)，并使油水總流量增大，結(jié)果造成環(huán)狀管流的流動(dòng)阻力增大。此外，相同Uws條件下，Uos越高，Δpow/L 越大，且Δpow/L 隨Uos增大的速率基本一致。

圖4 典型流型對(duì)比

圖5 壓力梯度隨入口含水率的變化曲線

圖6 壓力梯度隨水表觀流速的變化曲線

綜上所述，影響水平管內(nèi)油-水環(huán)狀流壓降變化的因素主要包括油流速（或流量）、水流速（或流量）、入口含水率等。

2.3 減阻效果評(píng)價(jià)

2.3.1 折算系數(shù)

圖7 折算系數(shù)隨入口含水率的變化曲線

按式(1)計(jì)算水平管各表觀流速組合下的折算系數(shù)如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，不同油相表觀流速Uos下，折算系數(shù)RF隨含水率Cw增加而減小，其原因是水流量的增加使油水總流量增大，從而使水環(huán)輸送的流動(dòng)阻力增大。此外，相同含水率Cw下，油相表觀流速越大，折算系數(shù)越小。這是因?yàn)殡SUos增大，水環(huán)輸送單位管長(zhǎng)壓降的增長(zhǎng)率比純油流動(dòng)單位管長(zhǎng)壓降的增長(zhǎng)率更快，故計(jì)算得到的折算系數(shù)也就越小。在圖7 中，油相表觀流速為0.4m/s時(shí)，折減系數(shù)在含水率為0.23 時(shí)達(dá)到最大值55；油相表觀流速為0.5m/s 時(shí)，折減系數(shù)在含水率為0.49時(shí)達(dá)到最小值27，即在所選工況范圍內(nèi)，水環(huán)輸送的壓降值僅為相同油流量下純油輸送壓降的1/55～1/27，這一數(shù)據(jù)與Strazza 等[11]的研究結(jié)果一致，該輸送技術(shù)具有非?？捎^的減阻效果。

2.3.2 輸油效率

輸油效率隨入口含水率及油-水兩相混合流速的變化規(guī)律如圖8所示。由圖8可看出，不同油相表觀流速Uos下，輸油效率η隨含水率Cw或混合流速Um增加呈下降趨勢(shì)。其原因在于油相表觀流速一定時(shí)，隨含水率或混合流速增加，相應(yīng)含油率Co減小的同時(shí)，折算系數(shù)RF也會(huì)減小，從而導(dǎo)致輸油效率降低。在圖8(a)中，每條輸油效率曲線均在含水率最低時(shí)達(dá)到最大值，如油相表觀流速為0.8m/s 時(shí)，輸油效率在含水率為0.13 時(shí)達(dá)到最大值45.60。各油相表觀流速（0.3～1.0m/s）下的最大輸油效率對(duì)應(yīng)的含水率范圍為0.13～0.27。如圖8(b)所示，油相表觀流速一定時(shí)，η隨Um的總體變化趨勢(shì)與其隨入口含水率的變化趨勢(shì)相似，不同的是η 隨Um增加由高向低變化的速率更快。油相表觀流速由0.3m/s增加至1.0m/s時(shí)，各輸油效率最大值對(duì)應(yīng)的混合流速范圍介于0.41～1.18m/s之間。

圖8 輸油效率隨入口含水率及混合流速的變化曲線

3 結(jié)論

（1）自主設(shè)計(jì)加工并搭建的室內(nèi)環(huán)道試驗(yàn)裝置適用于水環(huán)輸送稠油的流型特征及阻力特性分析與減阻效果評(píng)價(jià)。

（2） 在Uos=0.3～1.0m/s、 Uws=0.11～0.72m/s、Cw=0.13～0.49 條件下，環(huán)狀水膜可有效隔離并潤(rùn)滑油壁界面，油-水兩相流流型總體上呈穩(wěn)定的偏心環(huán)狀流結(jié)構(gòu)。

（3）水潤(rùn)滑輸送具有明顯的減阻效果，相比于純油流動(dòng)壓降，水環(huán)輸送可使相同油流量下的流動(dòng)壓降降為1/55～1/27。

（4）對(duì)于水平管內(nèi)水環(huán)輸送白油的管流模擬，當(dāng)含水率介于0.13～0.27時(shí)，輸油效率評(píng)價(jià)參數(shù)高于40，證實(shí)了水環(huán)輸送技術(shù)是一種高效節(jié)能的管道運(yùn)輸技術(shù)。

為保證水環(huán)長(zhǎng)距離、長(zhǎng)時(shí)間輸送稠油時(shí)的平衡穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)水環(huán)潤(rùn)滑輸送的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，下一步將圍繞環(huán)狀流的偏心現(xiàn)象開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)研究工作，考慮在水中添加高分子聚合物或表面活性劑以增加水溶液的黏彈性，來(lái)防止液環(huán)的偏心流動(dòng)。

符號(hào)說(shuō)明

Co，Cw—— 入口含油率、入口含水率

Δpo/L，Δpow/L —— 純油流動(dòng)和相同油流量下水環(huán)輸送單位管長(zhǎng)壓降，kPa/m

Qo，Qw—— 油流量、水流量，m3/s

RF—— 折算系數(shù)

Uos，Uow，Um—— 油表觀流速、水表觀流速、混合流速，m/s

η —— 輸油效率

下角標(biāo)

o—— 油相

w—— 水相