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        墾利油田高黏原油摻稀黏度變化規(guī)律

        2018-12-27 01:24:26曲兆光劉春雨萬宇飛王文光唐寧依黃巖
        石油與天然氣化工 2018年6期
        關(guān)鍵詞:混合油墾利稠油

        曲兆光 劉春雨 萬宇飛 王文光 唐寧依 黃巖

        中海石油(中國)有限公司天津分公司

        據(jù)統(tǒng)計,渤海高黏原油儲量達27.3×108m3,占渤海油氣資源總儲量的68%。目前,渤海稠油動用儲量極低,隨著渤海常規(guī)原油的不斷開發(fā),稠油作為一種特殊資源,將在渤海油田的上產(chǎn)增產(chǎn)方面發(fā)揮更加重要作用。比如,目前正在大力開發(fā)的墾利9-5/9-6油田、旅大5-2北油田、墾利9-1油田、旅大21-2油田、金縣1-1油田和綏中36-1油田等所產(chǎn)原油均為稠油,其中不乏黏度極高的特稠油和超稠油。

        在海上油田前期研究階段,面對眾多的工程方案和輸送方案,需要對各種原油進行摻混輸送,若每個方案均開展試驗,將造成不必要的浪費,更重要的是實驗的進度將跟不上工程方案研究的進度,影響項目的推進。因此,為了更好地開展研究,需要對不同油品摻混后的黏溫特性進行預(yù)測,以指導工程方案的制定。

        針對油品混合后黏度的預(yù)測,國內(nèi)外學者通過實驗數(shù)據(jù)回歸或半理論推導提出過很多經(jīng)驗、半經(jīng)驗公式或計算圖表,但是目前還沒有一個普適模型,每個模型都有一定的工作范圍。而高黏油品的摻混,特別是黏度比相差很大的高黏油摻混則更為復雜[1]。當前,常見的做法是對各油田油品分別評估現(xiàn)存模型的適用性,或?qū)ΜF(xiàn)存模型進行修正以符合各油田油品的摻混預(yù)測[2]。

        1 混合原油黏度預(yù)測模型

        H.C.庫爾納柯夫于1900年提出,在室溫以上溫度下,液態(tài)烴產(chǎn)品與其他非極性組分混合物的黏度與組分黏度之間的關(guān)系呈非線性變化,其混合油黏度可以通過組分油黏度的不同函數(shù)的線性加和來表達,如式(1)。

        式中:μm為混合油黏度,mPa·s;μi為組分油i的黏度,m Pa·s;Xi為組分油i的質(zhì)量分數(shù),ΣXi=1;f(μm)、f(μi)為混合油、組分油黏度的函數(shù)。

        由于各地油品性質(zhì)、組分、密度等不同,難以找到一種普適的油品摻混黏度預(yù)測模型[3],于是一些學者在大量實驗或半理論的基礎(chǔ)上,對現(xiàn)存的一些模型進行修正,如利用兩種組分原油各占一半的混合原油黏度為基礎(chǔ)進行修正而得到一些新的模型。根據(jù)黏度的函數(shù)形式不同,大體上可分為以下4類模型。

        1.1 基于理想溶液的烴類混合物黏度預(yù)測模型

        這類模型主要是基于純烴混合物理想溶液和熱力學性質(zhì)的混合規(guī)律得到,雖然僅適用于烴類物質(zhì)摻混的黏度預(yù)測,但為后續(xù)各類計算模型的出現(xiàn)提供參考。

        1.1.1 Binham模型

        1932年,Binham提出黏度的倒數(shù)具有加和性,并經(jīng)過實驗驗證,如式(2)??梢钥闯觯撃P皖A(yù)測精度會隨著組分油品的黏度比增大而顯著降低,特別不適合兩種組分油黏度相差大的油品混合后黏度的預(yù)測[4]。1992年,李闖文通過13組實驗結(jié)果對該模型進行預(yù)測,發(fā)現(xiàn)結(jié)果并不理想,在此基礎(chǔ)上提出一種改進模型,如式(3)。

        Binham:

        Binham修正:

        式中:μm為混合油黏度,m Pa·s;μi為組分油i的黏度,mPa·s;Xi為組分油i的質(zhì)量分數(shù),ΣXi=1,i=1~n;Bjk、Cjk為考慮組分油間相互關(guān)系的常數(shù)。

        1.1.2 Arrhenius模型

        1887年,Arrhenius首次提出烴類混合物的黏度預(yù)測計算式,如式(4)。在該模型的基礎(chǔ)上,大量學者基于實驗結(jié)果的分析和處理,提出相應(yīng)的修正模型和演化模型[5],其中典型的修正模型主要有3種:式(5)是在Arrhenius模型的基礎(chǔ)上考慮了組分油之間的相互作用而引入常數(shù)C12值,該改進模型又稱為Grunberg-Nisson模型;式(6)~式(7)的修正是在Grunberg-Nisson模型的基礎(chǔ)上通過實驗擬合后引進系數(shù)B12,對組分油間相互作用的進一步修正[6],分別稱之為Arrhenius修正1、Arrhenius修正2模型。

        Arrhenius:

        Grunberg-Nissoon:

        Arrhenius修正1:

        Arrhenius修正2:

        式中:μm為混合油黏度,m Pa·s;μ1、μ2為組分油黏度,m Pa·s;φ1、φ2為組分油體積分數(shù);X1、X2為組分油質(zhì)量分數(shù);B12、C12為考慮組分油間相互關(guān)系的常數(shù)。

        1.1.3 Kendal-Monroe模型

        以上兩種模型均不適合組分油黏度相差較大的情況,于是Kendal和Monroe對黏度相差較大的溶液進行實驗和分析,提出一種立方根加和性模型[7],如式(8)。據(jù)API報道[8],有學者曾利用1300組混合油測試結(jié)果對該模型進行評價,結(jié)果顯示平均誤差僅為5.7%,預(yù)測效果明顯。

        Kendal-Monroe:

        式中:μm為混合油黏度,mPa·s;μi為組分油i黏度,m Pa·s;Xi為組分油i質(zhì)量分數(shù),ΣXi=1,i=1~n。

        1.2 雙對數(shù)模型

        雙對數(shù)模型是在稠油摻稀降黏實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)在“質(zhì)量分數(shù)-黏度雙對數(shù)”坐標軸上組分油與混合油點之間呈線性分布[9],如式(9)。該模型不適用于黏度指數(shù)相差較大和非牛頓混合油。為此,李闖文等利用新疆稠油進行實驗,引入相關(guān)參量,提高了雙對數(shù)模型的計算精度并克服不適用于非牛頓流體的特性,即雙對數(shù)修正1模型[10],又叫李闖文模型,如式(10)。劉天佑等利用黏度差異較大的組分油進行實驗,引入表征組分油物性和摻混條件的參量而對雙對數(shù)模型修正,提出另外一種雙對數(shù)修正2模型,又叫劉天佑模型[11],如式(11)。遼河油田和新疆油田部分區(qū)塊摻稀稠油黏度預(yù)測符合雙對數(shù)模型[12-14]。

        雙對數(shù):

        雙對數(shù)修正1:

        雙對數(shù)修正2:

        式中:μm為混合油黏度,m Pa·s;μi為組分油i黏度,mPa·s;Xi為組分油i質(zhì)量分數(shù),ΣXi=1,i=1~n;Bjk、Cjk為考慮組分油間相互關(guān)系的常數(shù)。

        1.3 Cragoe模型

        1933年,Cragoe基于大量油品摻混測試實驗結(jié)果,提出表征油品流動能力的流函數(shù)L,并與油品黏度相關(guān)聯(lián)[15],從而創(chuàng)造性地提出一種新的油品摻混黏度計算模型,如式(12)。據(jù)報道,該模型適用范圍較廣泛,可用于黏度比大于1000的情況[16]。

        Cragoe:

        Cragoe修正:

        式中:μm為混合油黏度,mPa·s;μi為組分油i黏度,m Pa·s;Xi為組分油i質(zhì)量分數(shù),ΣXi=1,i=1~n;Lm、Li分別為混合油和組分油i流函數(shù);Cjk為考慮組分油間相互關(guān)系的常數(shù)。

        自該模型提出后,在許多油品的摻混中得到很好的預(yù)測效果,但也有一些油品預(yù)測精度不容樂觀,于是許多學者提出較多的修正模型,其中效果較好的包括中國石油大學類比油品摻混凝點變化規(guī)律,得到Cragoe修正模型,如式(13)。據(jù)報道,該模型對1577個黏度點進行分析,發(fā)現(xiàn)牛頓流體黏度的計算偏差僅為7.2%,非牛頓流體黏度預(yù)測偏差為19.1%,預(yù)測精度滿足工程應(yīng)用要求[17]。萬宇飛等[18]利用新疆風城特稠油和柴油實驗結(jié)果反算出C值用于其他摻混比和溫度點的黏度預(yù)測,并取得理想結(jié)果。

        1.4 Lederer模型與Shu模型

        Lederer模型是基于Arrhenius模型演化而來,如式(14)。有學者利用黏度相差較大的油品摻混對該模型進行驗證,發(fā)現(xiàn)該模型特別適合于黏度比大的場合,甚至黏度比在103~108范圍內(nèi)仍具備較高的預(yù)測精度[19-20]。還有文獻表明,該模型適用于多相流動場合[21-23],但該模型的經(jīng)驗常數(shù)α是通過一定的黏度數(shù)據(jù)擬合而來,所以應(yīng)用起來較為局限。印度學者Shu研究發(fā)現(xiàn)α(α=0~1)與組分油密度、黏度三者之間的關(guān)系式,從而使改進后的Lederer模型(又叫Shu模型,如式(15))在應(yīng)用范圍和預(yù)測精度上均有較大的提高[24-25]。

        Lederer:

        Shu:

        式中:μm為混合油黏度,mPa·s;μA、μB為組分油黏度,mPa·s;XA、XB為組分油質(zhì)量分數(shù);α為經(jīng)驗常數(shù);δA、δB、△δ分別為組分油 A、B的密度和密度差,kg/m3。

        2 模型計算與比較

        墾利油田群位于渤海南部海域,經(jīng)多年開發(fā),周邊已建立多座平臺和相應(yīng)的海底管線。新油田在開發(fā)研究過程中需對周邊各種依托可能性進行研究,即該稠油與周邊各油田油品摻混后外輸至FPSO或陸上終端儲存。這就需要對各種方案開展實驗,研究摻混不同油品的黏溫特性。若一一開始實驗,會嚴重影響油田的開發(fā)進程,造成不必要的人力和財力浪費。其可行的方法是研究該油田原油摻混黏度相關(guān)規(guī)律,通過計算預(yù)測摻混后黏度數(shù)據(jù),用于依托海管的計算。

        2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

        墾利油田群中某待開發(fā)油田A所產(chǎn)原油黏度較高,50℃下黏度為2700 mPa·s,擬采用依托周邊油田開發(fā)。選取周邊可能被依托開發(fā)的3個不同黏度梯隊的稀油油田原油(稱為稀油a、稀油b和稀油c)作為組分油。按照各油田產(chǎn)油量配比,分別與墾利油田A原油摻混,利用HAAKE MARS高溫高壓流變儀及配套溫控器對混合原油進行測量,各組分油黏溫特性如圖1~圖2所示。

        2.2 不同模型預(yù)測結(jié)果與偏差

        分別利用上文提到的各模型對目標油品摻混后的黏度進行預(yù)測,并將預(yù)測結(jié)果與實測值相比較,評估各模型的預(yù)測效果,結(jié)果如圖3~圖5所示。值得注意的是,由于部分模型預(yù)測偏差較大,甚至超過100%,圖3~圖5中僅顯示預(yù)測偏差相對較小的模型結(jié)果。其中,定義相對偏差RD=100%×(實測值-預(yù)測值)/實測值,平均相對偏差

        從圖3~圖5可以看出:①各模型預(yù)測效果隨溫度升高而提高,絕大多數(shù)模型在低溫時,預(yù)測相對偏差超過20%,不能滿足工程計算的需要;②各模型對于不同油品摻混后黏度預(yù)測表現(xiàn)出不同的效果,需要對多組油品的摻混黏度進行評價;③各模型中修正模型的預(yù)測精度一般高于原始模型,說明修正模型中引入的系數(shù)在一定程度上能夠反映不同地區(qū)的油品特征;④對于稀油a與墾利油田A稠油摻混后黏度預(yù)測來說,Arrhenius修正2、Cragoe修正和雙對數(shù)修正1模型預(yù)測效果較好;對于稀油b與墾利油田A稠油摻混后黏度預(yù)測來說,雙對數(shù)修正1、雙對數(shù)修正2、Cragoe、Cragoe修正、Arrhenius修正1、Arrhenius修正2和Grunberg-Nisson模型預(yù)測精度較高;對于稀油c與墾利油田A稠油摻混后黏度預(yù)測來說,雙對數(shù)修正2、Cragoe修正、Arrhenius修正1和Arrhenius修正2模型預(yù)測能力能夠滿足工程實際需要。

        將各模型對3種稀油分別與墾利油田A稠油摻混后黏度預(yù)測結(jié)果的相對偏差取平均值,得到各模型預(yù)測的平均相對偏差(見表1)。從表1可看出,Cragoe修正模型和Arrhenius修正2模型在3種油品的摻混下均表現(xiàn)出較高的預(yù)測精度,從工程的角度來說,均可以滿足實際需要。但評價一個模型時,希望模型具有較好的預(yù)測穩(wěn)定性,即平均相對偏差對不同油品預(yù)測精度變化幅度較小,從Cragoe修正模型和Arrhenius修正2模型來看,Arrhenius修正2模型平均相對偏差范圍為4.72%~6.21%,小于Cragoe修正模型的3.43%~8.75%,即Arrhenius修正2模型預(yù)測穩(wěn)定性較強。綜上所述,推薦Arrhenius修正2模型作為墾利油田A稠油與周邊稀油摻混后黏度預(yù)測的模型。

        表1 各稀油與墾利油田A稠油摻混油黏度預(yù)測平均相對偏差Table 1 Average relative deviation of viscosity prediction of Kenli viscous crude-solvent mixtures %

        3 結(jié)論

        在海上油田依托式開發(fā)研究過程中,需要對周邊各種油品摻混外輸方案進行研究,從研究效率和經(jīng)濟性角度來說,尋找一種適合于本油田的黏度預(yù)測模型較一一開展摻混實驗更加可取。首先調(diào)研了國內(nèi)外油品摻混黏度預(yù)測模型,然后以渤海墾利油田群中新開發(fā)稠油油田原油為基礎(chǔ),摻混周圍可能的3種稀油進行預(yù)測,并將預(yù)測結(jié)果與實驗值進行比較分析,認為:

        (1)常見典型的混合油黏度預(yù)測模型中,相關(guān)常數(shù)(如Cragoe中C值,Lederer中α值)表征原油性質(zhì),對于不同地區(qū)或組分相差較大的原油應(yīng)有所區(qū)別。

        (2)各修正模型主要考慮了組分油之間的相互關(guān)系,使得其預(yù)測精度較原始模型高,在本研究中得到一定程度的驗證。

        (3)各模型對墾利油田A稠油與3種稀油摻混后的黏度預(yù)測效果普遍隨溫度的降低而惡化,在較高溫度下預(yù)測精度相對較高。

        (4)Cragoe修正模型和Arrhenius修正2模型對目標油品的摻混均有較高的預(yù)測精度,能滿足工程實際的需要。

        (5)綜合考慮預(yù)測精度和預(yù)測穩(wěn)定性,推薦Arrhenius修正2模型作為墾利油田A稠油與周邊稀油摻混后黏度的預(yù)測模型。

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