稠油研究论文:稠油在低温环境下的伴水输送研究

作者：张爱晖程震宇单位：浙江大学结构工程研究所

根据模拟稠油的粘温关系曲线，当温度下降至36℃时，油品粘度开始急剧上升。可见，该样品含蜡量高、凝点高、粘度高，能较好地模拟稠油物性。实验在冬季室内进行，大气温度4～7℃。实验时油桶内油温约50℃，水槽内水温约7.5℃。根据油水混合比例不同，混合流体的温度略有差异，通过实时监测，实验管段中混合流体的温度约在10～13℃低温范围内。

实验流型

高温模拟稠油在掺水三通处与低温水混合后，迅速降温形成半凝固状态小颗粒，其悬浮于水中与水形成油水混合物，经过实验管段、流量计、取样点流入油水分离槽，油水自然分层。观察有机玻璃管段和油水分离槽内的油水混合物混合物，可见理想水悬浮分散流和有限段塞水悬浮分散流两种流型。理想水悬浮分散流：遇水冷却后处于半凝固状态的稠油小颗粒相对均匀地分散于水中，油水混合物在管内均匀流动，压力表显示数字稳定。实验结束后，挂在管壁上的小颗粒较少。有限段塞水悬浮分散流：大部分时间管内呈现水悬浮分散流型，偶尔在油水混合三通下游20～40cm处的管壁上出现小颗粒堆积现象，在较短时间内形成长度小于10cm的稠油段塞；但是，段塞会在很短的时间内脱离管壁重新开始流动。这种流型的特点：段塞以外的部分，稠油小颗粒分散于水中，呈现分散流型；段塞从形成到进入油水分离槽，其长度基本不会发生变化；两个段塞之间的距离不会发生变化；段塞的出现会引起管内压力的波动。

表观粘度分析

假定两种实验流型的压降均符合层流理论，采用达西定律，依据式（1）～式（5）分别计算压力损失、阻力系数、雷诺数及表观粘度[6]，进而分析表观粘度与流型、含水率、管径的关系（图3）。根据图3中表观粘度的变化规律及图1模拟稠油的粘温关系曲线，当管内油水混合液温度远低于模拟稠油的凝点时，高含水率伴水输油时的管输流动性与稠油粘度及管内流体温度无关。当含水率高于80%时，采用3种内径管道伴水输油均呈现理想水悬浮流型，油水混合物的表观粘度低于100mPa?s，表现出良好的流动性。当含水率在70%～80%之间时，可能出现有限段塞水悬浮流型，相比理想水悬浮流型，其表观粘度出现陡增现象；但与稠油自身的表观粘度相比，其表观粘度的绝对值仍然在小于200mPa?s的较低数值，因此保持良好的流动性。有限段塞的形成与含水率和管径有关，当含水率低至一定数值时，易在管内形成段塞，同时管径越小越易形成段塞。在含水率相同的情况下，内径较大管对应的表观粘度略低，根据流型的实验观察结果，较大内径管更有利于理想水悬浮流型的形成。

结论

（1）当伴水输油的含水率高于80%且管内油水混合液温度远低于稠油凝点时，管内油水混合液呈现稳定的理想水悬浮流型，表观粘度与油品本身粘度及管内流体温度无关，高含蜡量、高凝点、高粘度稠油的管输流动性得到大大改善。（2）当伴水输油的含水率低于一定水平时，管内油水混合液的流型由理想水悬浮流型转变为有限段塞水悬浮流型，但段塞长度和间距相对稳定，因此同样呈现出良好的流动性。（3）管道内径会影响伴水输油时段塞的形成，管道内径越小越易出现段塞；实际工程中的管道内径均大于实验管道，因此，实验数据作为实际工程的参考是比较安全的。（4）稠油低温管输的实现意味着不需要对管道采取保温措施，且对室外温度环境的要求大大降低，这对于管道制造、敷设以及集油过程中的节能具有重要意义。