王武杰，劉曉亮，曹 禹，王延博

1.西安石油大學(xué)，陜西西安 710065

2.陜西延長(zhǎng)石油股份有限公司，陜西延安 716000

稠油摻稀輸送中混合油黏度與最優(yōu)摻稀比研究

王武杰1，劉曉亮1，曹 禹1，王延博2

1.西安石油大學(xué)，陜西西安 710065

2.陜西延長(zhǎng)石油股份有限公司，陜西延安 716000

稠油摻稀油輸送技術(shù)是油田實(shí)現(xiàn)減阻增輸?shù)闹匾椒?。為了降低稠油管道輸送過(guò)程中的能量損失，以管道輸送的水頭損失作為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)對(duì)比混合油黏度計(jì)算模型，建立了水頭損失與質(zhì)量摻稀比關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并以某管道為例進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)果表明：稠油摻稀油是非常有效的降黏方式，可大幅降低稠油黏度；Cragoe修正模型能較好預(yù)測(cè)摻稀油后混合油黏度；隨著質(zhì)量摻稀比的增加，水頭損失先減小之后出現(xiàn)小幅增加；利用Cragoe修正模型和水頭損失的計(jì)算方法及稠油與稀油的物性參數(shù)，可對(duì)最優(yōu)質(zhì)量摻稀比進(jìn)行計(jì)算分析。

稠油；質(zhì)量摻稀比；混油黏度；水頭損失

近年來(lái)，隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及能源的日趨緊張，儲(chǔ)量豐富的稠油資源得到了人們的重視，如何有效開(kāi)采并利用稠油資源成為國(guó)內(nèi)外所關(guān)注的問(wèn)題。我國(guó)瀝青質(zhì)、膠質(zhì)含量較高的稠油產(chǎn)量約占原油總產(chǎn)量的7%[1]，這些稠油黏度高、密度大、流動(dòng)性差，給其開(kāi)采和集輸帶來(lái)了很大的困難，因此降低稠油黏度、改善稠油流動(dòng)性是解決稠油開(kāi)采、集輸和利用問(wèn)題的關(guān)鍵[2]。目前常見(jiàn)的降黏方法有加熱法、摻稀油法、稠油改質(zhì)降黏法等[3]。稀釋輸送就是往稠油中加入低黏油稀釋?zhuān)档统碛偷酿ざ群湍厅c(diǎn)，該方法由于技術(shù)可行、操作簡(jiǎn)單、成本低廉在油田現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用。

隨著質(zhì)量摻稀比的增加，混合油黏度將減小，但是摻入稀油后的管道輸量也將增加。在一條已建成管道中，在保證管道輸量不變的情況下，只減小管輸流體黏度將減小管道的水頭損失；在保證管輸流體黏度不變情況下，只增加管道輸量又將增加管道的水頭損失，故而增加動(dòng)力費(fèi)用。確定最優(yōu)質(zhì)量摻稀比對(duì)于實(shí)現(xiàn)減阻增輸、降低輸送成本至關(guān)重要。

本文以管輸中實(shí)現(xiàn)最小水頭損失為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)對(duì)比混合油黏度計(jì)算模型，選擇誤差較小的混合油黏度計(jì)算模型以確?；旌嫌宛ざ扔?jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，然后建立水頭損失與質(zhì)量摻稀比的數(shù)學(xué)模型，最終再分析計(jì)算結(jié)果并給出最優(yōu)摻稀比。

1 模型的建立

1.1 混合油黏度計(jì)算

關(guān)于混合原油黏度的計(jì)算，目前還沒(méi)有比較完全的理論，同時(shí)由于混合油復(fù)雜的流變性，使其混合后的黏度計(jì)算更加復(fù)雜[4]。表1對(duì)比了常見(jiàn)的五種混合油黏度計(jì)算模型。

表1 混合油黏度計(jì)算模型對(duì)比

表1各式中：μm為混合油動(dòng)力黏度，mPa·s；Pi為摻入第i種組分油的質(zhì)量比；μi為摻入的第i種組分油的動(dòng)力黏度，mPa·s；α為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；X1為稠油的質(zhì)量比例；X2為稀油的質(zhì)量比例；μ1為稠油動(dòng)力黏度，mPa·s；μ2為稀油動(dòng)力黏度，mPa·s；ρ1為稠油密度，kg/m3；ρ2為稀油密度，kg/m3；qi為混合油中各組分油的質(zhì)量比或體積比；μ1/2為質(zhì)量比為1：1的混合油黏度，mPa·s。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算并對(duì)比了各模型結(jié)果，見(jiàn)表2。

普遍認(rèn)為雙對(duì)數(shù)模型具有較高的精度和較廣的適用范圍[6-7]，同時(shí)對(duì)比發(fā)現(xiàn)Cragoe模型及其修正模型同樣具有較高的精度。

Cragoe修正模型不僅適用于低黏度比系統(tǒng)，對(duì)于高黏度比（大于1000）的稠油系統(tǒng)也適用。而稠油與摻入稀油的黏度比值一般都大于1000，其適用范圍較廣，所以本文中選用Cragoe修正模型計(jì)算混合油黏度。

1.2 管道水力計(jì)算

（1）沿程摩阻損失的確定：

根據(jù)文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]，同時(shí)考慮到輸油管道多處于層流區(qū)和紊流的水力光滑區(qū)，摩阻損失的計(jì)算公式如表3所示。

表2 不同混合油黏度模型計(jì)算結(jié)果

表3 不同流態(tài)時(shí)水頭損失計(jì)算公式

表3各式中：Re為雷諾數(shù)；Hl為沿程摩阻損失，m；Q為管輸流量，m3/s；v為管輸流體的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；d為管道內(nèi)直徑，m；L為管道長(zhǎng)度，m；ε為管道的相對(duì)粗糙度，無(wú)量綱。

（2）流量的確定：

式中：P為質(zhì)量摻稀比，無(wú)量綱。

（3）Cragoe修正模型用于計(jì)算混合油黏度。模型表達(dá)式如表1中所示。

（4）雷諾數(shù)Re計(jì)算：

式中：V為管輸流速，m/s。

2 實(shí)例分析

案例中輸油管道的基本數(shù)據(jù)如下：管道任務(wù)輸量為300萬(wàn)t/a，輸送溫度50℃，管道長(zhǎng)度1 000 m，選用螺旋焊縫鋼管，管規(guī)格為D325mm×7mm，管輸稠油50℃時(shí)的密度為950 kg/m3，動(dòng)力黏度為8 760MPa·s；所摻稀油50℃時(shí)密度為870 kg/m3，動(dòng)力黏度為17.2MPa·s。由于兩種油品密度相差不大，取混合油密度為910 kg/m3，并假設(shè)在輸送過(guò)程中油品溫度保持不變。

Cragoe修正模型黏度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 Cragoe修正模型黏度計(jì)算值與誤差

Cragoe修正模型的平均相對(duì)誤差為4.95%，計(jì)算混合油黏度的精度較高。

管輸摻稀油的水力計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 管輸摻稀油的水力計(jì)算結(jié)果

混合原油動(dòng)力黏度隨摻稀比的變化曲線如圖1所示。從圖1可以看出，稠油中摻入稀油后，稠油的黏度一直降低。當(dāng)質(zhì)量摻稀比較小時(shí)，隨著摻稀量的增加黏度急劇減小，之后隨著質(zhì)量摻稀比的增大，混合油黏度降低的幅度減??；當(dāng)摻稀比增加到一定程度以后，混合原油黏度接近于稀油黏度。可以看出，稀油對(duì)稠油的降黏效果顯著，加入20%稀油后，稠油黏度就降低了80%以上。

水頭損失隨摻稀比的變化曲線如圖2所示。

圖1 管輸混合原油黏度隨摻稀量變化曲線

圖2 管路水頭損失隨摻稀比變化曲線

從圖2可以看出，稠油中摻入稀油后，由于混合原油的黏度減小，水頭損失也在減小，并且其變化趨勢(shì)與黏度的變化趨勢(shì)相似。摻稀比較小時(shí)水頭損失快速降低，隨著摻稀比的增加，水頭損失的降低幅度減??；當(dāng)質(zhì)量摻稀比達(dá)到0.41時(shí)，水頭損失達(dá)到最?。划?dāng)質(zhì)量摻稀比達(dá)到0.42時(shí)，管道流態(tài)由層流區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)樗饣瑓^(qū)，水頭損失有所增加；在質(zhì)量摻稀比大于0.42的范圍內(nèi)，管道流態(tài)一直處于水力光滑區(qū)，水頭損失有減小的趨勢(shì)，但變化幅度不大。主要是因?yàn)殡S著流態(tài)的轉(zhuǎn)變，黏度對(duì)水頭損失的影響減弱，隨著質(zhì)量摻稀比的增加，黏度變化的幅度越來(lái)越小，而質(zhì)量摻稀比每增加0.1，流量增加的幅度也越來(lái)越小，雖然隨著流態(tài)的轉(zhuǎn)變，流量對(duì)水頭損失的影響增強(qiáng)，但最終在兩者共同作用下使得水頭損失在摻稀比增加到一定程度時(shí)水頭損失變化幅度不大，從而使得摻稀減阻的效果越來(lái)越不明顯。

3 結(jié)論

為準(zhǔn)確計(jì)算水頭損失，對(duì)比了常見(jiàn)的五種混合油黏度計(jì)算模型，選擇計(jì)算精度較高的Cragoe修正模型來(lái)計(jì)算管道摻稀后混合油黏度。通過(guò)實(shí)例計(jì)算發(fā)現(xiàn)：

（1）稠油中摻入稀油后，稠油黏度一直降低，且稀油對(duì)稠油的降黏效果明顯，當(dāng)質(zhì)量摻稀比達(dá)到0.2時(shí)，混合油黏度降低為稠油黏度的15%，降幅達(dá)80%以上。

（2）稠油中摻入稀油后，當(dāng)質(zhì)量摻稀比較小時(shí)，由于混合原油的黏度減小，水頭損失也在減小，存在最小水頭損失；隨著質(zhì)量摻稀比的繼續(xù)增加，摻稀減阻的效果越來(lái)越不明顯，存在最優(yōu)質(zhì)量摻稀比。

（3）利用Cragoe修正模型和水頭損失的計(jì)算方法，可對(duì)最優(yōu)質(zhì)量摻稀比進(jìn)行計(jì)算分析。

[1]崔波，石文平，戴樹(shù)高，等.高黏度稠油開(kāi)采方法的現(xiàn)狀與研究進(jìn)展[J].石油化工技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2000，16（6）：5-10.

[2]孫慧，張付生.稠油化學(xué)降黏研究進(jìn)展[J].精細(xì)與專(zhuān)用化妝品，2008，13（23）：16-20.

[3]尉小明，劉喜林，王衛(wèi)東，等.稠油降黏方法概述[J].精細(xì)石油化工，2002，23（5）：45-48.

[4]孟慶萍.混合原油黏度計(jì)算模型[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2007，26（10）：22-24.

[5]陳永遂，馬化甫.對(duì)稠油中摻入稀油后混合黏度計(jì)算公式的探討[J].油田地面工程，1983，2（4）：1-8.

[6]劉天佑，徐誠(chéng).稠油稀釋后黏度的計(jì)算方法及其改進(jìn)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，1992，11（2）：56-60.

[7]王婷，陽(yáng)緒斌，張衡，等.稠油摻稀后混油黏度計(jì)算方法的研究[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2012（1）：18-19.

[8]蔣華義.輸油管道設(shè)計(jì)與管理[M].北京：石油工業(yè)出版社，2010.

[9]GB 50253-2014，輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Study on viscosity and optimal dilution ratio of mixed oil in heavy oil thinning transportation

WANG Wujie1，LIU Xiaoliang1，CAO Yu1，WANG Yanbo2
1.Xi'an Petroleum University，Xi'an 710065，China
2.ShaanxiYanchang Petroleum Co.，Ltd.，Yan'an 716000，China

Heavy crude oil thinning transportation technology is an important method to increase the throughput and decrease the loss of friction.In order to reduce the energy loss in the heavy oil transportation by pipeline，a mathematical model on the relationship between head loss and mass dilution ratio is established，which takes the head loss as the optimization objective and is based on the comparisons of the mixed oil viscosity calculation models.This model is used for analyzing and calculating a heavy oil pipeline.The results show that mixing heavy oil with light oil is very effective to reduce the viscosity of heavy oil；the modified Cragoe model can better predict the viscosity of mixed oil；with the mass dilution ratio increasing，the head loss reduces first then there is a slight increase.With the modified Cragoe model and the calculation method of the head loss，and considering the properties of heavy oil and light oil，the best mass dilution ratio can be worked out.

heavy oil；mass dilution ratio；viscosity of mixed oil；head loss

王武杰（1988-），男，陜西寶雞人，2015級(jí)西安石油大學(xué)石油與天然氣工程專(zhuān)業(yè)在讀碩士，現(xiàn)主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)工程相關(guān)科研學(xué)習(xí)工作。Email：1063496326@qq.com

2017-02-20

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.04.009