稠油乳化输送试验环道装置研制及应用

寇 杰， 张新策， 刘建国

(中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)



稠油乳化输送试验环道装置研制及应用

寇 杰， 张新策， 刘建国

(中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)

为研究稠油乳状液在实际管道中的流动特性，弥补流变仪等仪器的缺点，研制了一种试验环道装置。利用该装置对胜利陈南稠油乳状液进行了输送试验，模拟了稠油乳状液在管道中的实际流动情况，并与流变仪测试结果进行对比。试验表明：含水率对稠油乳状液黏度影响很大，含水率高于40%时出现转相点，最佳含水率为45%；乳状液输送存在一个最佳混合流速，流速过高乳状液表观黏度有增大趋势；稠油乳状液表观黏度随温度的升高而减小，温度对O/W型稠油乳状液表观黏度的影响很小；在相同实验条件下，流变仪测试结果与环道试验结果规律一致，但表观黏度值偏小。

稠油乳状液； 环道装置； 实际流动； 表观黏度

0 引 言

目前，稠油的开发与输送越来越受到全球的关注，乳化降黏技术是稠油降黏开发与输送中效果比较明显的技术之一[1-5]，但乳状液在管道中的输送特性问题仍是制约稠油乳化降黏输送应用的关键因素。

由于流变仪等室内仪器与实际输送环境差异大而不能如实反映乳状液在管道中剪切情况和流变性质，且测试数据难以直接用于实际管道运输[6]，本文研制一套稠油乳化输送试验环道装置，利用该装置对稠油乳状液进行实际管道流动模拟实验，分析乳状液的流变特性，为稠油乳化降黏输送技术提供理论依据，促进乳化降黏技术的发展。

1 实验装置

1.1 装置组成

自行研制了一套室内环道试验装置，其流程示意如图1所示。该装置环道总长度为22.87 m，其中直管段部分长为15.8 m，全部采用双层套管技术。另外，环道的长短也可根据具体情况进行适当的调整。装置主要由供油系统、测量系统、温控系统、扫线系统和数据采集系统组成。其中，供油系统由输油泵、回流缓冲罐和加热搅拌罐三部分组成；测量系统由质量流量计、压力传感器、压差传感器和温度传感器四部分组成；温控系统由恒温水浴、水浴循环泵、保温层等组成；扫线系统由空气压缩机、连接压缩机的软管等组成；数据采集系统主要由数据采集卡、各类传感器、直流电源和数据采集软件等设备组成。

1-质量流量计，2-取样口，3-回流缓冲罐，4-水浴恒温罐，5-加热搅拌罐，6-水浴循环泵，7-齿轮泵，8-放样口

图1 稠油乳化输送试验环道装置示意图

1.2 试验过程

将待测试油样加入加热搅拌罐加热，达到预定温度后倒入缓冲罐，改变变频调速器的输出频率，以使泵转速达到实验所需流量的速度。启动齿轮泵，将测试流体泵入实验环道中，完成一次循环后进入回流缓冲罐进行缓冲及回收利用。在循环过程中不断采集试验数据，循环结束后，关闭齿轮泵，打开空气压缩机，对环道系统进行扫线，使残留流体吹回至回流缓冲罐[7-8]。

2 环道应用

为验证试验环道装置能否真实地反映稠油乳状液在实际管道中的流动情况，利用该装置对稠油乳状液进行了环道试验。取来自胜利油田陈南联合站的稠油与优选的乳化剂配制成稠油乳状液。主要探讨了含水率、混合流速、温度对乳状液管输黏度的影响，并与流变仪测试结果进行对比。

2.1 处理方法

在查阅文献[9-14]和环道测试试验的基础上，推导了适用于该环道的黏度计算方法，具体的黏度求解过程如下：

式中：ΔP为测试管段压降，Pa；L为测试点之间长度，m；ρm为乳状液密度，ρm=ρwφw+ρo(1-φw)，kg/m3；νm为混合流速，m/s；d为管内径，m。

由于C、n取值与乳状液的流态有关，故需将上式求得的μm代入雷诺数定义式中进行反算，判断是否满足假设流态，不满足则改变C、n取值继续反算，直到符合假设为止。

2.2 含水率对乳状液管输黏度的影响

通过对环道试验采集到的数据进行处理，得到了不同温度下含水率与稠油乳状液表观黏度的关系，如图2所示。

图2 不同温度下含水率与稠油乳状液表观黏度的关系图

由图可以得出：含水率低于40%时，稠油乳状液的表观黏度随含水率的增大而增大，超过40%后，表观黏度急剧减小，由此说明转相点的含水率大于40%；当含水率大于55%时，表观黏度趋于平稳，这是由于O/W型乳状液连续相是水，黏度随着水相体积分数的增大不断减小，最后基本接近水相黏度；不同温度下，含水率对表观黏度的影响规律基本一致，但温度越高，表观黏度整体下降，且含水率越低，下降幅度越明显，这是由于稠油黏度对温度的敏感度远高于水；在相同实验条件下，按照石油天然气行业标准[15]进行流变仪测试，结果与环道试验结果规律一致，但表观黏度值偏小。

总之，含水率对稠油乳状液表观黏度影响很大，合理地选择含水率对稠油乳化输送和后续破乳脱水处理具有重要意义。Sharma等[16]认为，当乳状液的表观黏度介于100～400 mPa·s之间，具有良好的经济效益，又考虑到节约水资源和工艺的复杂性，建议采用含水率45%。

2.3 混合流速对乳状液管输黏度的影响

在温度50 ℃下，测得了不同含水率下乳状液表观黏度与混合流速的关系，如图3所示。

图3 不同含水率下乳状液表观黏度与混合

由图可以得出：含水率为40%时，随着混合流速即剪切速率的增大，表观黏度迅速下降，表现出很强的剪切稀释性，这表明稠油乳状液为非牛顿流体，受流速变化影响很大，性质很不稳定；当含水率增大到50%时，稠油乳状液表观黏度随流速的增大变化很小；当含水率为60%时，表观黏度基本不再受剪切速率影响，这表明此时乳状液基本表现为牛顿流体特性；观察含水率50%和60%的曲线可以发现，在流速为2.0～2.5 m/s，乳状液表观黏度有一最小值，流速大于2.5 m/s之后，表观黏度有增大趋势，这是因为剪切速率过大，导致分散相粒径过小，分散相之间的作用力增大，从而使表观黏度表现出增大的趋势。由此可以得出乳状液输送存在一个最佳混合流速，在本次实验中可以得出最佳流速范围为2.0～2.5 m/s。

在含水率50%情况下，改变温度，测得不同温度下乳状液表观黏度与混合流速的关系，如图4所示。由图看出：在含水率50%情况下，表观黏度受混合流速的影响很小，而只与温度有关，表现为牛顿流体特性，性质比较稳定，符合管输基本要求。在相同实验条件下，流变仪测试结果与环道试验结果规律一致，但表观黏度值偏小。

图4 不同温度下乳状液表观黏度与混合

2.4 温度对乳状液管输黏度的影响

绘制不同含水率下稠油乳状液黏温曲线，如图5所示。

图5 不同含水率下稠油乳状液黏温关系图

由图可以得出：稠油乳状液表观黏度随温度的升高不断减小；不同含水率下稠油乳状液黏温曲线规律一致，但变化幅度不同，含水率越高，表观黏度随温度的变化越小。这是由于含水率较高时，水的黏度对乳状液表观黏度起主导作用，而水的黏度受温度影响很小；温度对O/W型稠油乳状液表观黏度的影响很小，只要形成稳定的乳状液，可以大幅度较低输送温度，减少能耗，提高经济效益[17]。针对陈南稠油乳状液，建议温度在40～50 ℃。在相同实验条件下，流变仪测试结果与环道试验结果规律一致，但表观黏度值偏小。

3 结 语

研制了稠油乳化输送试验环道装置，实现了动态模拟稠油乳状液在管道中的流动特性。其规律与利用流变仪所测规律基本一致，但流变仪所测表观黏度数值偏小，这可能是流变仪本身容量小，易产生滑移现象和与实际剪切作用不同所致。可见，利用该装置对稠油乳化输送研究更具有参考价值和实际意义。

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Development and Application of Test Loop Device for Heavy Oil Emulsifying Transportation

KOUJie，ZHANGXin-ce，LIUJian-guo

(College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum(East China)， Qingdao 266555， China)

In order to study the flow characteristic of heavy oil emulsion in the actual pipeline and to make up for the shortcomings of rheology instrument，a test loop device is developed. The authors used this device to carry out transporting test for the heavy oil of Chennan in Shenli, and simulated the actual flow characteristics of heavy oil emulsion in the pipe. The test results were compared with that of the rheometer. The influence regularity of water content，mixed flow velocity and temperature on the viscosity of emulsion pipe were obtained. Experiments show that：the water content has a great influence on the viscosity of heavy oil emulsion. When the water content is greater than 40%，the phase transition point appears. There is an optimum water content which is 45%. Besides there is an optimum mixture velocity. When flow rate is too high the emulsion viscosity increased. Heavy oil emulsion viscosity decreases with the increase of temperature，but the temperature has little effect on the viscosity of O/W type emulsion. Under the same experimental conditions，the test results of the rheometer agree with the test results of this test loop device，but the apparent viscosity of using rheometer is a little smaller.

heavy oil emulsion； loop device； actual flow； apparent viscosity

2015-01-08

中国石油科技创新基金研究项目(2012D-5006-0603)

寇 杰(1969-)，男，江苏赣榆人，博士，教授，研究方向：多相管流及油气田集输技术；油气储运系统安全工程；油气长距离管输技术。Tel.：13969877559；E-mail: chuyunk@126.com

TE 866

A

1006-7167(2015)11-0060-03