徐冰 齊超 吳玉國

摘 要：隨著低粘度原油開采量的不斷降低和對能源的需求，人們越來越關(guān)注稠油油藏的開采，這就需要比較全面地了解稠油的一些特性規(guī)律。為了更好的掌握稠油的特性規(guī)律，從稠油流變特性的影響因素方面入手，對稠油流變特性的影響因素進行比較全面的歸納，綜述了稠油流變特性的研究進展情況，另外，針對稠油流變特性的研究存在的問題和發(fā)展趨勢進行了分析和概括。

關(guān) 鍵 詞：稠油；流變特性研究要點；發(fā)展趨勢

中圖分類號：TE 81 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1955-04

Abstract： With reducing of exploitation amount of low viscosity oil and increasing of energy demand， people are increasingly concerning about the exploitation of heavy oil reservoirs， so it is very necessary to comprehensively understand the characteristics of heavy oil. In order to grasp the characteristics of heavy oil， influence factors of the rheological properties of heavy oil were analyzed， research progress of the rheological properties of heavy oil was summarized. Moreover， problems and trend of researching rheological properties of heavy oil were discussed.

Key words： heavy oil； rheological properties； development trend

稠油流變性對采油生產(chǎn)、集輸工藝以及稠油在多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流過程都有著顯著的影響，另外，油田的很多開發(fā)指標都與流變性有直接關(guān)系。我國稠油地下蘊含量十分豐富，由于這類原油的凝點和出現(xiàn)非牛頓流體特性的溫度比較高、粘度 大、流動特征偏離牛頓粘性定律、滲流特征不符合達西定律等特點，使得開采作業(yè)、儲運等過程十分困難，而流變性又是合理設(shè)計管網(wǎng)、優(yōu)化設(shè)計運行參數(shù)的一個重要理論依據(jù)，所以對稠油流變特性規(guī)律和其影響因素的研究對石油工業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。

1 稠油流變特性的研究要點

1.1 轉(zhuǎn)相

轉(zhuǎn)相是構(gòu)成乳狀液體系中的分散相和連續(xù)相互換的一種現(xiàn)象。轉(zhuǎn)相對稠油乳狀液帶來的直接影響就是乳狀液的流變特性發(fā)生改變。一些研究學者通過實驗研究認為，影響原油轉(zhuǎn)相的因素包括含水率（注入水的體積分數(shù)）、乳狀液的粘度、液滴粒徑的大小及顆粒散布的情況、流體的流動形態(tài)等因素[1]。前人總結(jié)出層流時原油的粘度與含水率之間呈對數(shù)關(guān)系，還不夠全面，其中忽略了液滴界面張力、液滴尺寸及其分布的影響，而只考慮含水率油品的粘度、流速等因素，使得計算式不夠準確，因此，影響稠油乳狀液轉(zhuǎn)相的問題還需進一步深入系統(tǒng)的研究。

稠油乳狀液在低含水率的情況下，稠油形成油包水型乳狀液，導致乳狀液的表觀粘度較大，對稠油的地下多孔介質(zhì)的流動以及集輸帶來較大的影響；稠油乳狀液在含水率增加到一定程度時，稠油乳狀液發(fā)生轉(zhuǎn)相，此時的含水率稱為轉(zhuǎn)相點或臨界含水率，主要表征為表觀粘度降低幅度較大，此時稠油乳狀液轉(zhuǎn)變?yōu)樗托停ㄋ疄橥庀唷⒂蜑閮?nèi)相）乳狀液，直接導致稠油集輸?shù)膲毫禍p小，利于稠油集輸工藝的完成。由于不同的含水率而導致轉(zhuǎn)相，王為民[2]等利用Rheostress-300流變儀在不同含水率的條件下測量了遼河油田含水超稠油的表觀粘度，繪制了同一溫度下不同含水率與粘度的關(guān)系曲線圖，當含水率約為18%時乳狀液的表觀粘度明顯降低，說明含水率為18%即為轉(zhuǎn)相點或臨界含水率，乳狀液發(fā)生轉(zhuǎn)相，所以在超稠油的集輸過程中要適當保持超稠油乳狀液的含水率在轉(zhuǎn)相點附近，以保證乳狀液由油包水型向水包油型轉(zhuǎn)換。

1.2 溫度

在超稠油流變特性的影響因素中溫度起主要作用，認識和掌握原油粘溫關(guān)系的變化規(guī)律占首要地位。李雪峰[3]等利用DT-4003智能原油脫水儀對錫14塊超稠油實驗油樣在120 ℃下進行脫水處理，利用RV DV-III Brookfield流變儀測量不同溫度下的表觀粘度，在半對數(shù)坐標中繪制出粘溫曲線，發(fā)現(xiàn)超稠油的粘溫曲線大致上是呈線性的，隨著溫度的升高，超稠油表觀粘度呈現(xiàn)近似指數(shù)下降，而且能夠較好的滿足Arrhenius定律[4]。

在半對數(shù)坐標中，隨著溫度增大，曲線斜率逐漸減小，表明溫度對表觀粘度的影響逐漸減弱；隨著表觀粘度的增大，表觀粘度對溫度的敏感性逐漸增強[5]。當溫度增大到牛頓流體轉(zhuǎn)化溫度點時，超稠油流型發(fā)生轉(zhuǎn)變，從非牛頓流體過渡到牛頓流體。粘溫變化的主要原因是超稠油屬于多相混合物液體，溫度能夠?qū)Ψ肿拥倪\動和排列造成影響，固體顆粒大小及內(nèi)部分子排列等因素都會很大程度的影響其表觀粘度。另外，超稠油主要由膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等高分子聚合物構(gòu)成，形成有一定空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的分散體系，改變溫度，其中圍繞著瀝青質(zhì)的膠團、膠束的組合或斷裂，使得稠油內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，影響其內(nèi)聚力大小，也會直接導致超稠油粘溫關(guān)系變化[6，7]。

1.3 壓力

應用HAAKE RS600流變儀、PZ38傳感系統(tǒng)分別測定了稠油乳狀液在7個溫度點和3個不同壓力下（350 kPa、68 0kPa、1MPa）的流變曲線[4]。測試結(jié)果表明，稠油乳狀液在不同壓力下的流變曲線均為過原點的直線，幾乎重合，可以按照牛頓流型擬合，擬合的相關(guān)系數(shù)很高。當剪切速率為55 s-1定值時，在不同壓力的條件下對江37區(qū)塊稠油的粘度進行的測量研究[8]，發(fā)現(xiàn)當溫度低于拐點溫度時，壓力對稠油的表觀粘度影響較大，稠油的粘溫關(guān)系曲線隨壓力變化較大；當溫度高于拐點溫度時，壓力對稠油的表觀粘度沒有明顯影響。在較高溫度下，稠油體系內(nèi)的固體顆粒尺寸較小，稠油體系表現(xiàn)為液體性質(zhì)，壓力對粘度影響不大；隨著溫度的降低，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)發(fā)生進一步析出、聚集，使膠團結(jié)構(gòu)尺寸增大，在加上蠟晶的析出，共同在稠油內(nèi)部形成具有一定結(jié)構(gòu)強度的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此，稠油表現(xiàn)出粘彈性，其粘度隨壓力增大而增加。

1.4 攪拌時間

通過不同的攪拌時間來制備不同分子粒徑的乳狀液，對于油包水型乳狀液，分散相顆粒的粒徑對其粘度有一定的影響。采用顯微鏡以及配套的CCD成像系統(tǒng)觀察乳狀液的微觀結(jié)構(gòu)，并且測得稠油乳狀液的流變曲線[5]。圖1給出了在含水率為15%的條件下，剪切時間分別為300 s和1 200 s稠油乳狀液的微觀結(jié)構(gòu)圖，由圖中可以看出隨剪切時間的增加，分散相的粒徑逐漸減小，超稠油乳狀液逐漸均勻。分別測得不同剪切時間下的乳狀液的流變曲線，發(fā)現(xiàn)隨著剪切時間的增加，乳狀液在同一剪切速率下的粘度逐漸增加，但非牛頓流體的性質(zhì)并未發(fā)生質(zhì)的改變，這種現(xiàn)象說明剪切時間對超稠油流變特性的影響不大，其流變學性質(zhì)改變不明顯。

1.5 含水率

通過配制不同含水率的超稠油乳狀液，經(jīng)機械攪拌后測量其粘度值[9]，研究發(fā)現(xiàn)由于含水率的不同，超稠油乳狀液的流變特性是不相同的，表觀粘度有所差異，流變曲線的變化規(guī)律極其復雜。當含水率低于某一值時，油樣形成油包水型乳狀液，即是油為外相，水為內(nèi)相，分散相（水）液滴之間的間隔比較大，此時超稠油乳狀液的表觀粘度主要受連續(xù)相（油）的影響；當含水率增加到某一值時，分散相（水）液滴所占超稠油乳狀液體系的比重逐漸增加，連續(xù)相（油）和分散相（水）的相間表面積增大，由于液滴之間發(fā)生相互碰撞、相對滑動和相間表面能的劇烈作用，使得超稠油乳狀液的表觀粘度明顯上升；當含水率在轉(zhuǎn)相點或轉(zhuǎn)相點附近時，超稠油乳狀液發(fā)生轉(zhuǎn)相，乳狀液中油水的共存形式發(fā)生了改變，其表觀粘度急劇下降，最后趨于穩(wěn)定達到某一定值[10]，流體的流型逐漸由非牛頓流轉(zhuǎn)變到牛頓流，表現(xiàn)出牛頓流體的特征。

1.6 剪切速率

溫度對稠油流變特性的變化起著決定性的作用，溫度的變化會引起稠油表觀粘度的變化，但表觀粘度還受剪切速率的約束，稠油粘溫曲線隨著剪切速率的變化而變化，表現(xiàn)為剪切速率越小，稠油的表觀粘度對溫度的敏感性越高，曲線的斜率越大。張宇睿[11]等采用美國M5500高溫高壓流變儀，研究了南陽油田某區(qū)塊典型井口摻水稠油粘度與溫度、剪切速率之間的關(guān)系，并繪制了在不同含水率、不同剪切速率的條件下，粘度隨溫度的變化曲線，得出以下結(jié)論：在35～45 ℃，稠油乳狀液呈現(xiàn)出剪切變釋的特點，即流體粘度隨剪切速率的升高而降低，表現(xiàn)出非牛頓流體的特征，且剪切速率越小，曲線越陡。35 ℃時隨著剪切速率的增大，其表觀粘度逐漸減小，表觀粘度對剪切速率的敏感性較強；當溫度達到45 ℃后，各個剪切速率下的粘溫曲線有匯集于一點的趨勢，表明在全粘溫曲線上必然存在一直線段，此時表觀粘度不隨剪切速率的變化而變化，表現(xiàn)出牛頓流體的特征。這是因為在低溫條件下，蠟晶析出并不斷聚集，緩慢的布朗運動也加劇了絮凝體的形成，從而使得稠油的粘度大；當溫度升高到某一值時，分子的布朗運動加劇，粒子間引力減小等因素使稠油粘度下降，使其流型接近于牛頓流體。

1.7 屈服應力

在某一溫度的條件下，屈服應力值可以直觀地反映原油由變形到流動，是流體塑性的一個評定標準。當外界施加的驅(qū)動壓力大于原油的靜極限剪切應力時，原油才開始流動，原油流動所克服的靜極限剪切應力就是原油的屈服應力值。超稠油一般屬于具有一定屈服值的賓漢流體，其本構(gòu)方程為：

超稠油含有的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、蠟等高分子聚合物容易形成三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生屈服應力，阻礙稠油流動，產(chǎn)生很大的粘滯阻力[12]，對流體流動產(chǎn)生牽絆作用。在超稠油運移或地下滲流時，屈服應力值和流體的初始啟動壓力密切相關(guān)，原油的屈服應力值越大，其初始啟動壓力越大，越不利于原油的集輸，當停輸再啟動時可能造成凝管。

王風巖[13]等人選取遼河油田冷家超稠油區(qū)塊三組油樣進行流變性測定，得出其相應的屈服值，發(fā)現(xiàn)每組油樣都存在對應的拐點溫度，當?shù)陀诠拯c溫度時屈服值較大，屈服值隨溫度的降低急劇增加，表明超稠油的屈服應力隨著溫度的變化受到的影響較大，溫度越低，形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越不容易被破壞；當高于拐點溫度時，穩(wěn)固的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞并且分散成為游離結(jié)構(gòu)，屈服應力值急劇下降，超稠油逐漸表現(xiàn)出牛頓流體的特征。由于屈服應力值和溫度的關(guān)系是密不可分的，所以對兩者關(guān)系的研究是一個不可回避的問題。

李向良[14]等通過對超稠油流變特性進行測量，繪制屈服應力與溫度關(guān)系曲線，對曲線進行回歸分析，發(fā)現(xiàn)兩者的關(guān)系滿足下式：

當溫度較低時，溫度的增加會使屈服應力急劇下降，不利于超稠油的地下滲流或集輸工藝。

因此，從超稠油的粘溫特性、屈服應力值與溫度之間的關(guān)系考慮，為了確保超稠油的常規(guī)集輸工藝，應該注入高溫度和高干度的蒸汽，這樣才能使屈服應力值降低，利于超稠油的開采和運移。

2 存在的問題和發(fā)展趨勢

2.1 存在的問題

目前還沒有成熟的理論預測乳狀液從牛頓流體轉(zhuǎn)化成非牛頓流體的臨界體積分數(shù)及乳狀液發(fā)生轉(zhuǎn)相的最大體積分數(shù)，其原因在于影響因素復雜，如乳狀液的制備方法、原油的性質(zhì)、溫度等，所以只能通過實驗測量。

在研究方面，對稠油流變性機理的認識還比較膚淺，對流變特性規(guī)律的認識，還主要停留在定性的水平上。目前，掌握原油流變性的方法主要是利用商用流變儀和自行設(shè)計的試驗管路進行試驗測試，在某些試驗測試步驟和方法上還存在問題。迄今為止，國內(nèi)針對稠油流變性的大部分研究基本上還在走從試驗測試到總結(jié)試驗規(guī)律（表、圖、擬合關(guān)系式）的路子，沒有定量的突破，在稠油流變性機理、流變性規(guī)律和觸變特性等方面的掌握還有所欠缺，管道輸送過程中經(jīng)歷的熱力和剪切條件很可能與室內(nèi)試驗所用的油樣經(jīng)歷的條件不同，常規(guī)方法測量的結(jié)果可能不能準確的表示原油的流變特性。

2.2 發(fā)展趨勢

圍繞著稠油管道安全、經(jīng)濟與運行這一話題，國內(nèi)外對稠油流變學的研究及應用方面做了大量的工作。我國目前對稠油流變學及應用方面的研究主要是通過對各種地區(qū)的稠油進行試驗研究，主要有不同溫度下稠油的流變特性及相應的流變模型、稠油的粘溫特性及其數(shù)學模型、熱歷史和剪切歷史對稠油流變特性規(guī)律的影響、稠油流變性與稠油組成成分的關(guān)系、稠油的觸變特性及其數(shù)學模型和稠油的屈服應力等。只有對稠油流變特性的影響因素、剪切歷史以及熱歷史等進行全方面、多角度的綜合考慮，才能更好地掌握某一塊區(qū)的稠油流變特性；通過計算機模擬科學有效地處理相關(guān)參數(shù)，可在試驗環(huán)道或?qū)嶋H管道上檢驗，做出相應的定量分析；對于每一個地區(qū)的稠油，需經(jīng)過大量重復性的測試，稠油流變性相關(guān)的棘手的問題才可能迎刃而解。

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