高含水原油黏溫綜合關(guān)系式研究

張宇睿，陳小榆 （油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （西南石油大學(xué)），四川 成都610500）

岳川川 （新疆石油工程建設(shè)有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依834000）

舒小波，吳婷婷 （油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （西南石油大學(xué)），四川 成都610500）

隨著油田開(kāi)發(fā)的深入，我國(guó)大部分油田在經(jīng)過(guò)多年的連續(xù)注水開(kāi)采后，已進(jìn)入高含水后期，其中以大慶油田為首的油田其含水量已達(dá)到80%以上［1］。同時(shí)，為了降低輸送介質(zhì)的黏度，在稠油集輸過(guò)程中，常采用摻水和摻?。?］。隨著原油中水相含量的增加，應(yīng)用原有低含水原油的流變性理論和計(jì)算已經(jīng)不能滿足高含水原油流變特性的計(jì)算，因此需針對(duì)高含水原油的流變特性進(jìn)行重新研究以滿足工程需要。目前國(guó)內(nèi)對(duì)高含水原油流變特性進(jìn)行的分析僅得出其表觀黏度與原油溫度、含水率的關(guān)系，而沒(méi)有得出與溫度、含水率和剪切速率的綜合關(guān)系。在原油集輸過(guò)程中，如水頭損失的計(jì)算需要用到原油黏度，因此必須研究高含水原油的黏溫綜合關(guān)系式［3～5］。

利用M5500高溫高壓流變儀，研究了南陽(yáng)油田某區(qū)塊典型井口摻水原油黏度與溫度、剪切速率與含水率之間的關(guān)系，并擬合了黏度與含水率、溫度和剪切速率的綜合關(guān)系式。擬合公式計(jì)算的黏度值與實(shí)際測(cè)量值相差不大，準(zhǔn)確性較高，為高含水原油集輸工藝設(shè)計(jì)提供了計(jì)算依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1．1 油樣配備

根據(jù)各井口含水率情況，配制不同含水率的油樣。用天平稱(chēng)取適量井口原油油樣到磨口瓶中，根據(jù)所需配制的含水率，稱(chēng)取適量水摻入原油中，并將配制的油樣攪拌均勻，作為測(cè)試的基礎(chǔ)油樣。各井口不同含水率所稱(chēng)油樣重量及所需摻水量見(jiàn)表1。

表1 各井口不同含水率所取油樣質(zhì)量及摻水量

1．2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)中采用的流變儀是美國(guó)M5500高溫高壓流變儀，用于測(cè)量小容量試樣，通過(guò)模擬工藝條件測(cè)試其流變性。主要的技術(shù)參數(shù)為：①溫度范圍－20～500℉；②剪切速率0．00004～1870s－1；③分辨率0．01%；④頻率50Hz或60Hz。

2 黏度與含水率、溫度和剪切速率的關(guān)系

2．1 黏度與含水率的關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別得到了A井、B井和C井在剪切速率為60s－1時(shí)，不同溫度下表觀黏度與含水率之間的關(guān)系，如圖1所示。

由圖1可知，A井和B井在各種溫度條件下，黏度隨含水率的變化均有一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，稱(chēng)其為轉(zhuǎn)相點(diǎn)［6，7］。當(dāng)含水率小于轉(zhuǎn)相點(diǎn)時(shí)，間隔較大的分散相 （水）液滴的相互作用要通過(guò)連續(xù)相 （油）表現(xiàn)，隨著含水率的不斷增加，分散相液滴不斷增多，兩相間的表面也增大，液滴之間將發(fā)生相互碰撞和滑動(dòng)，由于液滴之間運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)以及相間表面能的影響，原油黏度迅速上升。當(dāng)含水率上升達(dá)到臨界值時(shí)，原油黏度達(dá)到最大，并開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)相。隨著含水率的繼續(xù)增大，當(dāng)其超過(guò)轉(zhuǎn)相點(diǎn)后，分散相（水）開(kāi)始變?yōu)檫B續(xù)相，而連續(xù)相 （油）開(kāi)始變?yōu)榉稚⑾啵纬伤托秃?，從而使得原油的黏度迅速下降。同時(shí)，黏度與含水率的關(guān)系曲線要受到溫度的影響，隨著溫度的升高，轉(zhuǎn)相點(diǎn)的黏度急劇降低，但由于連續(xù)相 （水）的黏度受溫度的影響較小，溫度對(duì)轉(zhuǎn)相后原油黏度的影響也越來(lái)越小。一般來(lái)說(shuō)，原油組分不同，其轉(zhuǎn)相點(diǎn)也不相同。C井的井口油樣由于含水率達(dá)到68．8%，已經(jīng)過(guò)了轉(zhuǎn)相點(diǎn)，因此隨著含水率的增加，黏度呈下降的趨勢(shì)。

當(dāng)各井在其余剪切速率 （40、50、70、80、90、100s－1）時(shí)，不同溫度下黏度與含水率的關(guān)系與圖1相似，即A井在含水率40%，B井在60%時(shí)有一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，C井沒(méi)有明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

圖1 不同溫度下各井油樣黏度與含水率關(guān)系曲線

2．2 黏度與溫度、剪切速率的關(guān)系

溫度是影響?zhàn)ざ鹊囊粋€(gè)重要因素，圖2～6給出了A井不同含水率和剪切速率下，黏度隨溫度的變化曲線。由圖2～6可知，黏度在很大程度上取決于溫度，在低溫下，表觀黏度比在高溫下大，這是由于低溫條件下蠟晶的增多和聚集，因此在35～45℃下進(jìn)行升溫降黏，可減小管道阻力，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)集輸。

黏度不僅與溫度有關(guān)，還受到剪切速率的影響［8～10］。由圖2～6可知，在35～45℃，表觀黏度隨著剪切速率的增大而減小，呈現(xiàn)出剪切稀釋的特點(diǎn)，且剪切速率越小，曲線越陡。因?yàn)楹偷姆稚⑾嘁旱卧诩羟兴俾瘦^低時(shí)，會(huì)通過(guò)相互作用形成絮凝體，從而體系表現(xiàn)出高的黏度；剪切速率的增加，破壞了絮凝體的尺寸，使其不斷減小直至完全破碎，因此體系的表觀黏度也隨之變小，最終剪切速率將不再對(duì)黏度產(chǎn)生影響，即此時(shí)含水原油呈現(xiàn)出牛頓流體的流變特點(diǎn)。35℃時(shí)剪切速率對(duì)表觀黏度有較大的影響，隨著溫度的升高，其對(duì)表觀黏度的影響逐漸減小，當(dāng)溫度達(dá)到45℃后，各剪切速率下的黏溫曲線逐漸重疊，此時(shí)，黏度將不再受剪切速率的影響，這是因?yàn)樵诘蜏貤l件下，蠟晶析出并不斷聚集，同時(shí)較慢的布朗運(yùn)動(dòng)也有助于絮凝體的形成，從而使得含水原油黏度大；但隨著溫度的升高，布朗運(yùn)動(dòng)加劇，絮凝體破碎，粒子間引力減小，蠟晶溶解，含水原油黏度降低，即含水原油的流變性越來(lái)越接近牛頓流體。

圖2 A井含水率15．1%的原油黏溫曲線

圖3 A井含水率40%的原油黏溫曲線

圖4 A井含水率60%的原油黏溫曲線

圖5 A井含水率80%的原油黏溫曲線

圖6 A井含水率90%的原油黏溫曲線

3 高含水原油黏溫綜合關(guān)系式

3．1 模型的建立

將黏度與含水率、溫度和剪切速率的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析回歸以更好地研究它們之間的關(guān)系。利用軟件首先通過(guò)多元線性回歸確定參數(shù)初始值，選擇線性回歸方程［11］為：

然后借助通用線性模型（方差分析）確定二次項(xiàng)，即在原有的線性回歸方程的基礎(chǔ)上增加了溫度分別與含水率、剪切速率的乘積以及各個(gè)變量的平方。最終確定回歸模型為：

式中：u為表觀黏度，mPa·s；fw為含水率，%；t為溫度，℃；γ為剪切速率，s－1；a、b、c、d、e、f、h、j、k為回歸系數(shù)。

3．2 高含水原油黏溫綜合關(guān)系式

分別對(duì)A井、B井、C井進(jìn)行非線性擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各井黏溫綜合關(guān)系式

對(duì)A井，當(dāng)fw＜40%時(shí)，公式的擬合優(yōu)度R2＝0．998；當(dāng)fw≥40%時(shí)，公式的擬合優(yōu)度R2＝0．983。對(duì)B井，當(dāng)fw＜60%時(shí)，公式的擬合優(yōu)度R2＝0．959；當(dāng)fw≥60%時(shí)，公式的擬合優(yōu)度R2＝0．933。對(duì)C井，即fw≥68．8%時(shí)，其公式的擬合優(yōu)度R2＝0．907。

分別將A井、B井、C井?dāng)M合出的公式所計(jì)算出的表觀黏度值與原始測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示 （以剪切速率60s－1，溫度40℃時(shí)為例）。

圖7 各井表觀黏度與含水率關(guān)系對(duì)比圖

由圖7可知，A井、B井、C井在剪切速率60s－1和溫度40℃時(shí)，通過(guò)方程計(jì)算的不同含水率下的表觀黏度值與測(cè)量值相差不大。其余剪切速率和溫度下的對(duì)比圖在此不重復(fù)給出，它們均與圖7所得的結(jié)果相似，即計(jì)算值與測(cè)量值相差不大，故擬合的方程合理，準(zhǔn)確性較高。

4 結(jié) 論

1）A井、B井含水原油存在一個(gè)轉(zhuǎn)相點(diǎn)，通過(guò)該次試驗(yàn)研究，可得出A井原油轉(zhuǎn)相點(diǎn)在含水率為40%左右；B井原油轉(zhuǎn)相點(diǎn)在含水率為60%左右。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，轉(zhuǎn)相點(diǎn)與實(shí)際值可能存在偏差。

2）較低溫度時(shí)，剪切速率對(duì)表觀黏度有較大的影響，隨著溫度的升高，其對(duì)表觀黏度的影響逐漸減小，因此，在較低溫度下啟動(dòng)輸油管道是十分不利的。

3）根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸出3口井的黏溫綜合關(guān)系式，用該公式計(jì)算的黏度值與實(shí)際測(cè)量值相差不大，擬合方程合理，準(zhǔn)確性較高。

4）轉(zhuǎn)相點(diǎn)后，連續(xù)相為水的水包油型含水原油黏度低，在輸送過(guò)程中損耗的能量比連續(xù)相為油的油包水型含水原油少，因此從經(jīng)濟(jì)集輸?shù)慕嵌瓤紤]，建議該區(qū)塊應(yīng)盡量輸送連續(xù)相為水的水包油型含水原油。

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