油水两相体系流变行为影响因素实验研究

李俊刚 张磊 乐昕朋

摘      要：考虑含蜡原油管输过程蜡的沉积机制不但与油水两相体系的乳化特征有关，也相关于两相体系的流变行为，分析了油水体系的乳化转相特征及流变特性，结果表明，除了原油自身组成，温度和含水率是影响油水两相体系流变行为的主要因素，实验油水两相体系的转相点含水率值约为55%，通过确定温度及含水率影响下油水两相体系的流变指数n与稠度系数K，明确了基于幂律方程描述集输工况环境下油水两相体系流变特性的可行性。

关  键  词：流变特性;乳化转相;温度;含水率;油水两相

中图分类号：TE 866       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）03-0559-04

Abstract： Considering the influence of emulsification and rheological behavior of oil-water two-phase flow on wax-deposition mechanism of waxy crude during pipeline transportation， the phase inversion and rheological properties were tested. The results indicated that， besides the composition of crude oil， temperature and water-cut were the main influencing factors of rheological behavior. The water-cut of oil-water two-phase flow for the emulsification and phase inversion was 55%， and the rheological index and consistency coefficient of oil-water two-phase flow at different temperature were also determined. Furthermore， the feasibility of using power law equation to describe the rheological properties of oil-water two-phase flow in gathering and transportation environment was verified.

Key words： Rheological property; Phase inversion; Temperature; Water-cut; Oil-water two-phase

與单相含蜡原油一样，含蜡原油-水两相体系的流变特性是采用任何手段及方法开展油水两相流蜡沉积研究的基础[1-3]。在集输过程中，油水乳状液的转相点通常被认为是视黏度开始下降时的含水率值。采出液无论在井筒流动，还是在集输管道流动时，输送能量的损失在很大程度上由表观黏度决定，一般来讲，避免输送含水率处于转相点处对于减少能量损失、降低输送成本具有重要意义[4，5]。对于运行温度场分布介于含蜡原油析蜡温度区间的集输系统，其中管输过程蜡的沉积机制不但与油水两相体系的乳化特征有关，也相关于两相体系的流变行为，测试油水两相体系的流变特性也可为管输蜡沉积的描述提供必要基础数据[6-8]。

1  油水两相体系转相特性实验

1.1  实验条件

实验测试油水介质均取自大庆油田某联合站，结合集输实际工况，设计测试温度为30、35和40℃;剪切速率为10、80和260 s-1;调配原油含水率为10%、20%、30%、45%、55%、65%、75%、85%和95%。

1.2  实验仪器及方法

测试用仪器为应力控制流变仪（AR2000ex，美国TA仪器公司），另外包括恒温箱（KF-2，姜堰市分析仪器厂）、电子天平（BS2202S，赛多利斯）及高剪切乳化机（SY-20，姜堰分析仪器厂）等必要仪器。

测试方法为黏度法，也就是通过测试不同油-水两相体系在不同温度、不同剪切速率条件下的黏度，根据黏度变化规律，确定转相点。测试过程中，首先将恒温至测试温度的油水介质按所调配含水率分别量取、加入到乳化样杯，然后设置并启动高剪切乳化机及其辅配的恒温加热盘，在6 000 r/min的乳化剪切转速下乳化2 min，之后将油水乳化液样品转移至应力控制流变仪的同轴圆筒测试系统，设定流变仪测试条件和控制参数，进行表观黏度测试，最后统计数据，建立不同温度、不同剪切速率条件下油水两相体系表观黏度与含水率的变化关系。

1.3  实验结果

实验测试的转相特征曲线如图1-3，可以看出，在30～40 ℃的实验温度范围内，油水两相体系的转相点含水率值约为55%。

2  油水两相体系流变特性实验

2.1  实验条件

测试油水介质同前转相特性测试实验;测试温度同前转相特性测试实验;测试油水两相体系含水率同前转相特性测试实验，并行测试不含水原油;测试剪切速率范围为0～1 000 s-1。

2.2  实验仪器及方法

实验仪器及主要过程同前转相特性测试实验。在应力控制流变仪的稳态剪切模式下，测定不同温度下油水两相体系在0～1 000 s-1剪切速率范围内的剪切应力与黏度特性参数，继而建立黏度、剪切应力随剪切速率变化的关系曲线，即、关系曲线。

2.3  實验结果

2.3.1  流变特性曲线

测试获得不同含水率油水两相体系在不同温度下的流变特性曲线如图4-12。

2.3.2  流变指数及稠度系数

基于测试获取的、关系曲线，拟合确定不同温度条件下油水两相体系的流变指数和稠度系数K，拟合结果见表1。

（1）温度对流变行为的影响

根据上述拟合结果，通过建立温度对流变指数及稠度系数的影响规律可知，由于温度的升高促进油水两相体系内分散相液滴的运动、碰撞与聚并，体系乳化稳定性降低，黏度减小，同时温度的升高使蜡晶析出量减小，油水两相体系的非牛顿行为减弱，因此流变指数n随油水两相体系温度的升高增大，而稠度系数K则随温度的升高逐渐减小。

（2）含水率对流变行为的影响

同样，根据拟合结果建立油水两相体系含水率对流变指数及稠度系数的影响规律，可知，在转相点之前，油水两相体系的稠度系数K随含水率的增加而增大，在转相点之后，稠度系数K则急剧减小，直至趋近于0;而对于油水两相体系的流变指数n，在不同温度下，随着含水率的升高，其变化特征呈现先缓慢增大、再减小、而后急剧增大，实验方案下油水两相体系的流变指数n均小于1，属于假塑性流体特征，因此，可以通过幂律方程来描述其流变特性[9，10]。

3  结 论

（1）油水两相体系的流变行为是其管输流动特性的微观再现，实验以大庆油田含蜡原油为对象，分析了油水体系的乳化转相特征，在30～40 ℃的温度范围内，实验油水两相体系的转相点含水率值约为55%。

（2）除了原油自身组成，温度和含水率是影响油水两相体系流变行为的主要因素，确定了温度及含水率影响下油水两相体系的流变指数n与稠度系数K，明确了基于幂律方程描述集输工况环境下油水两相体系流变特性的可行性。

参考文献：

[1]刘扬，王志华，成庆林，等.大庆原油管输结蜡规律与清管周期的确定[J].石油学报，2012，33（5）：892-897.

[2]刘扬，赵洪激，周士华.低渗透油田地面工程总体规划方案优化研究[J].石油学报，2000，21（2）：88-95.

[3]段纪森，宫敬，张宇，等.多相混输管道蜡沉积研究进展[J].油气储运，2011，30（4）：241-248.

[4]李玉星，唐建峰，王武昌.水平管路油气混输模拟技术[J].化工学报，2007，58（2）：341-345.

[5]刘扬，赵洪激，王平.环形掺热水集输系统优化设计及分析[J].石油学报，1999，20（1）：77-81.

[6]张劲军，何利民，宫敬，等.油气储运理论与技术进展[J].中国石油大学学报（自然科学版），2013，37（5）：151-162.

[7]黄启玉，王蕾.微观液滴分布对含蜡原油乳状液流变性的影响[J].石油学报，2013，34（4）：765-774.

[8]刘扬，关晓晶.油气集输系统优化设计研究[J].石油学报，1993，14（3）：110-117.

[9]刘扬.石油工程优化设计理论及方法[M].北京：石油工业出版社，1997.

[10]刘保君，孙立圆，石竟成，等.热历史对大庆含蜡原油粘弹性的影响[J].当代化工，2018，47（4）：692-695.