寧雯宇

(中國石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國家工程實驗室，北京 102249)

?

高含蠟油水體系流變特性研究

寧雯宇

(中國石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國家工程實驗室，北京 102249)

研究了不同條件下高含蠟油水體系的流變特性，為高凝油采出液油田集輸提供理論支撐。采用VT550黏度儀測定不同條件下的油水黏度分布特性，得到了不同溫度下原油的觸變特性及不同溫度、不同含水率下的剪切稀釋特性，并通過CCD-ADAPTER顯微測定儀觀測得到不同含水率下的油水分布情況。研究結(jié)果表明，高凝油溫度越高于凝點，屈服應(yīng)力越小，且隨溫度升高，屈服應(yīng)力下降幅度越?。桓吆掠退w系即使溫度低于凝點，其表觀黏度仍較低；溫度越接近于凝點，含水率越接近于轉(zhuǎn)相點，剪切稀釋性越明顯，非牛頓流體特性越明顯；含水率在轉(zhuǎn)相點附近時，水相以均勻、密集的分散相形式分布于油相中，致使體系表觀黏度較大。

含蠟原油； 油水體系； 流變性； 剪切稀釋性

我國多數(shù)油田開采的原油為石蠟基原油，高凝點、高反常點致使油水體系流變性復(fù)雜，尤其當原油溫度降至凝點附近時，其流變特性表現(xiàn)出較為復(fù)雜的觸變性和剪切稀釋特性[1-3]。以某區(qū)塊高含蠟原油為例，研究其不同溫度、不同含水率、不同剪切速率等條件下的流變特性，為不同物性采出液的集輸條件的選取提供理論支撐。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示， RW20型攪拌器(轉(zhuǎn)速為60～2 000 r/min)，用于油水乳狀液的制備； VT550 黏度儀；光學(xué)顯微鏡(帶有CCD-ADAPTER.0.5X攝影儀)。

圖1 實驗裝置

Fig.1 Experimental instrument

1.2 實驗方法

首先對高凝原油進行熱處理，即在80 ℃水浴環(huán)境下靜置2 h后，置于環(huán)境溫度下(18 ℃)靜置48 h，以去除熱歷史和剪切歷史。按所需含水率將預(yù)熱好的礦化水一次性加入到已預(yù)熱至50 ℃的原油中，在50 ℃水浴條件下攪拌，先以1 000 r/min轉(zhuǎn)速攪拌10 min，再以500 r/min轉(zhuǎn)速攪拌10 min，混合均勻后將配制好的乳狀液裝入已預(yù)熱的轉(zhuǎn)杯中，測定不同剪切速率下的表觀黏度，以分析其不同條件下的流變規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 原油物性

實驗所用高凝油原油凝點47 ℃，黏度為26.5 mPa·s(60 ℃)，密度為863.7 kg/m3，瀝青質(zhì)、膠質(zhì)和蠟質(zhì)量分數(shù)分別為0.35%、7.55%、55.26%，其黏度隨溫度的變化關(guān)系如圖2所示。

圖2 高凝油黏溫曲線

Fig.2 Viscosity-temperature curve of high pour-point oil

由圖2所示，高凝油原油的黏度對溫度敏感性較強，不同溫度下的剪切稀釋性相差較大。原油在凝點(47 ℃)附近黏度較大，剪切稀釋性最強，隨溫度的升高，表觀黏度減小的同時剪切稀釋性也減弱。在溫度達到56 ℃以上時，原油逐漸趨于牛頓流體，黏度受剪切速率的影響很小。

2.2 原油觸變特性

研究含蠟原油的觸變性，對了解其流變特性、掌握停輸再啟動規(guī)律具有重要意義。對高凝油不同溫度下的觸變性測定結(jié)果如圖3所示。

圖3 觸變曲線

含蠟原油的觸變性由其內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)所決定，當溫度降低時，原處于溶解狀態(tài)的石蠟成分逐漸析出，與附著其上的瀝青質(zhì)成為分散相，且逐漸形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。當溫度降至凝點附近時，體系的流動性將受到較大程度的限制，此時所測得的應(yīng)力值為屈服應(yīng)力。由高凝油觸變曲線可得，相同剪切速率下，屈服應(yīng)力與動平衡應(yīng)力隨溫度升高而明顯降低，且溫度距離凝點越近下降幅度越大；在相同溫度下，屈服應(yīng)力與動平衡應(yīng)力隨剪切速率升高而明顯上升。

2.3 油水體系黏溫特性

對含水率分別為20%、40%、80%、90%的油水體系表觀黏度與溫度的關(guān)系進行測定，結(jié)果如圖4所示。

圖4 高凝油表觀黏度與溫度的關(guān)系

Fig.4 The relationship between the apparent viscosity and temperature of high pour-point oil

高凝油低含水乳狀液對溫度敏感性較強，尤其在凝點溫度附近(45～50 ℃)，表觀黏度隨溫度上升迅速下降，在50 ℃后黏度變化較緩。含水率為40%～80%的乳狀液黏溫特性較為復(fù)雜，有待進一步研究[4]。對于高含水油水兩相體系，即使溫度在凝定附近，或低于凝點2～3 ℃，乳狀液整體黏度變化也相對低含水時緩和。

2.4 油水體系剪切稀釋特性

高凝油油水體系的表觀黏度受剪切速率影響較大[5-6]，剪切稀釋性較強，反應(yīng)在集輸管路中即同條件下提高流速能使體系表觀黏度有所降低。對不同含水率、不同溫度下油水體系的表觀黏度與剪切速率的關(guān)系進行測定，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 50 ℃高凝油乳狀液在不同含水率下剪切速率與黏度關(guān)系

Fig.5 The relationship between the viscosity and shear rate of high pour-point oil emulsion in 50 ℃ and different water cut

由圖5可知，高凝油乳狀液含水率越低，剪切稀釋性越強，含水率越高，流體越趨于牛頓流體，表觀黏度受剪切速率的影響越小。

圖6 含水率80%高凝油乳狀液在不同溫度下剪切速率與黏度關(guān)系

Fig.6 The relationship between the viscosity and shear rate of high pour-point oil emulsion in 80% water cut and different temperature

由圖6可知，表觀黏度在相對較低溫度下(45 ℃及以下)隨剪切速率的增大顯著下降，隨溫度升高，此種趨勢變小，剪切稀釋性減弱。高含水下的高凝油乳狀液溫度越低剪切稀釋性越明顯，非牛頓特性越強；溫度越高剪切稀釋性越不明顯，乳狀液趨于牛頓流體。

2.5 乳狀液微觀分布特性

對不同含水率下高凝油的油水體系微觀分布進行觀測，油水微觀形態(tài)分布如圖7所示。在50 ℃(凝點47 ℃)、低含水時，高凝油乳狀液與稠油乳狀液一致，分散相水相以小微粒形式存在于液體中，隨含水率升高，水相相互聚結(jié)相連，逐漸向連續(xù)相過渡。在較高含水率時(如含水率70%)，分散相完全成為水相，油相以不規(guī)則的帶狀或者片狀分散在水中[7-8]。

圖7 高凝油不同含水率微觀圖

Fig.7 The microscopic images of high pour-point oil in different water cut

3 結(jié)論

(1) 分析了高凝油的觸變特性，得到了其不同溫度下的屈服應(yīng)力值，明確了隨溫度升高屈服應(yīng)力減小且減小幅度逐漸變緩的規(guī)律。

(2) 測定了不同含水率下油水的黏溫關(guān)系，并歸納了不同含水率、不同溫度下的剪切稀釋分布規(guī)律。含水率越接近于轉(zhuǎn)相點，溫度越接近于凝點，剪切稀釋性越強，非牛頓流體特性越強。

(3) 觀測了不同含水率下油水分布特性，隨含水率上升，表觀黏度先升后降，水相由分散相逐漸過渡為連續(xù)相，轉(zhuǎn)相點附近分散相最為密集且均勻。

[1] 白劍鋒,馮宇,文紅星,等.海安油田高凝原油流變性試驗研究[J].石油和化工設(shè)備,2012(9):46-49.

Bai Jianfeng, Feng Yu, Wen Hongxing, et al. Experimental study on rheology of Haian crude oil[J]. Petro & Chemical Equipment,2012(9):46-49.

[2] 王棟.含蠟原油流變性的研究[D].大連：大連理工大學(xué),2005.

[3] 張一楠,支煥.含蠟原油流變性及其輸送工藝的研究現(xiàn)狀[J].遼寧化工,2011,40(8):867-870.

Zhang Yinan, Zhi Huan. Research statues of rheological property and conveying technology of waxy crude oil[J]. Liaoning Chemical Industry,2011,40(8):867-870.

[4] 康浩,高建,宋新民,等.溫度對高凝油流變性能影響研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2014(18):209-214.

Kang Hao, Gao Jian, Song Xinmin, et al. Temperature influence on the rheological properties of high pour point crude[J]. Science Technology and Engineering,2014(18):209-214.

[5] 梁羽,袁宗明.含水率對惠州25-3原油乳狀液流變性的影響[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報，2013,26(6):71-73.

Liang Yu, Yuan Zongming. Effect of water cut on rheological properties of hz25-3 crude oil with emulsions[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2013,26(6):71-73.

[6] 國麗萍,張勁軍.基于剪切速率勻速加載條件的含蠟原油屈服-觸變特性[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報,2011，35(3):72-75.

Guo Liping, Zhang Jinjun. Yield-thixotropy of waxy crudes under uniform rate of shear rate sweep[J]. Journal of Daqing Petroleum Institute, 2011,35(3):72-75.

[7] 黃啟玉,王蕾.微觀液滴分布對含蠟原油乳狀液流變性的影響[J].石油學(xué)報,2013,34(4):765-774.

Huang Qiyu, Wang Lei. Effect of droplet distribution on rheological properties of water-in-oil emulsion in waxy crude oils[J].Acta Petrolei Sinica,2013,34(4):765-774.

[8] 陳銳,邢曉凱,張坤勛,等.分散相微觀形態(tài)對稠油乳狀液流變性的影響[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報,2014,27(4):57-59.

Chen Rui, Xing Xiaokai, Zhang Kunxun, et al. Influence of droplet morphology on rheology of heavy crude oil emulsion[J]. Journal of Petrochemical Universities,2014,27(4):57-59.

(編輯 王亞新)

The Research of Rheological Properties of the High Waxy Oil Water System

Ning Wenyu

(National Engineering Laboratory for Pipeline Safety, China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249,China)

The rheological characteristics of high waxy oil and water system in different condition were studied, which provided theoretical support for produced fluid of high pour-point oil gathering and transferring. Oil-water viscosity distribution characteristics were measured under different conditions with VT550 viscometer. Effection of temperature and water cut on thixotropic and dilution shearing characteristics was obtained. Oil and water distribution with different water cut was observation using CCD-ADAPTER micro meter. The results show that the higher the temperature, the smaller the yield stress. With the temperature increasing, the dropping speed of yield stress becomes smaller. When water cut of the oil/water system is high, the apparent viscosity is still low even the temperature is below freezing point. The more close to the freezing point temperature, the more close to the phase inversion point moisture content, the more obvious shear thinning characteristic, the stronger the non-Newtonian fluid properties are. When the water cut is near the phase inversion point, water phase is distributed in the oil phase with uniform and dense form, which leads to the huge apparent viscosity.

Waxy crude; Oil and water system; Rheological property; Shear thinning behavior

1006-396X(2015)02-0087-04

2014-11-21

2015-03-13

寧雯宇(1990-)，男，碩士研究生，從事油氣田地面工程研究；E-mail： ningwenyu2009@163.com。

TE662

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.02.018