冷家稠油黏溫特性及流變特性實驗研究

韓繼勇，侯云翌，鄭維師

(1．西安石油大學(xué)全國石油和化工行業(yè)致密油氣藏復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆采技術(shù)重點實驗室，陜西西安 710065;2．川慶鉆探鉆采工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710021)

稠油的流變性對其在多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流過程有很大影響，油井的產(chǎn)量、油藏的采收率以及其他油田開發(fā)指標(biāo)與稠油的流變性有直接關(guān)系。采油工藝中井筒內(nèi)流動阻力的計算和稠油管輸工藝中加熱站的設(shè)計、管輸壓降的計算都與稠油的黏溫特性及流變性有密切關(guān)系［1－3］。本文對遼河油田冷家稠油進(jìn)行流變性測量，對其特征進(jìn)行分析，為遼河油田稠油的生產(chǎn)提供實驗依據(jù)。

室內(nèi)實驗使用HAAKE公司的RV30旋轉(zhuǎn)黏度計測量得到的稠油黏溫曲線如圖1所示。其中，18，25，60，100，18 s－1的全黏溫曲線未標(biāo)出，其規(guī)律與10 s－1的全黏溫曲線相似，部分重合。

1 黏溫特性

遼河油田冷家稠油的基本物性參數(shù)見表1。

表1 原油樣品的基礎(chǔ)參數(shù)Tab．1 Basic parameters of crude oil sam ples

圖1 全黏溫曲線Fig．1 Temperature viscosity curve

由圖1可知，稠油黏度對溫度有很強(qiáng)的敏感性，隨著溫度升高，稠油黏度顯著降低。這是由于稠油黏度與其內(nèi)聚力有密切關(guān)系。原油含膠質(zhì)、瀝青質(zhì)越多，內(nèi)聚力越大，稠油黏度越高。而在加溫過程中，粒子的布朗運動加劇，使稠油內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得松散，原油內(nèi)聚力降低，黏度也就減?。?］。

對所測得的黏溫數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)稠油的黏度與溫度的關(guān)系近似符合 Arrhenius方程［4］

式中:η為表觀黏度，mPa·s;A為常數(shù);E為活化能，J/mol;R為普適氣體常數(shù);T為熱力學(xué)溫度，K;B=E/R。

在不同剪切速率下，對黏溫曲線進(jìn)行回歸，得到相應(yīng)的系數(shù)A和B(見表2及圖2)。

圖2 系數(shù)A，B與剪切速率之間的關(guān)系曲線圖Fig．2 Relatian curve of coefficient A，B and shear rate

對圖2所示的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，得到關(guān)系式

從全黏溫曲線圖1可以看出，稠油的黏度不是溫度的單一函數(shù)，還與剪切速率有關(guān)。因此，存在η=f(T，γ)形式的二元函數(shù)關(guān)系式。

將式(2)、式(3)代入式(1)得

至此，建立了稠油黏度與溫度及剪切速率的二元函數(shù)模型，為稠油的黏度計算提供了依據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)溝通由于在溝通同步性上的區(qū)別，又被劃分為同步溝通和異步溝通。同步溝通(Synchronous Communication) 是指互動信息的發(fā)送和接受是在同一時間段進(jìn)行的，互動雙方同時在線，一方所做的動作可以被另一方實時觀察及感知。異步溝通(Asynchronous Communication) 則是信息的發(fā)送與接收在時間點上錯開，互動雙方所進(jìn)行的操作在時間上有一定的滯后性。兩者的差別在于互動是否同時，也就是時間維度的差別。[1]

表2 擬合系數(shù)數(shù)據(jù)表Tab．2 Data of fitted coefficients

2 流變特性

2.1 剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系

在不同溫度下對遼河油田冷家稠油進(jìn)行流變測試，得到了如圖3所示的剪切應(yīng)力(τ)與剪切速率(γ)之間的關(guān)系曲線。由圖3可以看出，隨著溫度增加，曲線斜率減小。

對上述曲線進(jìn)行擬合，可以得到如表3所示的關(guān)系式。

圖3 剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系曲線圖Fig．3 Relatian curve between shear stress and shear rate

表3 不同溫度下的本構(gòu)關(guān)系式Tab．3 Constitutive equations of different temperatures

從表3所示的本構(gòu)關(guān)系式可以看出，存在著一個臨界溫度Tc。當(dāng)溫度T＞Tc時，稠油流變行為表現(xiàn)出牛頓流體流變的特性;當(dāng)溫度T＜Tc時，稠油流變行為表現(xiàn)為賓漢型非牛頓流體的流變特性，此時，本構(gòu)方程可表示為［5－7］

式中:τ為剪切應(yīng)力，Pa;τ0為屈服應(yīng)力值，Pa;η為黏度，Pa·s;γ 為剪切速率，s－1。

溫度高于臨界溫度Tc時，稠油表現(xiàn)為牛頓流體的流變行為，可用下式表示其流變模式［8］:

流變曲線圖3表明，隨著溫度升高，曲線斜率減小，說明稠油黏度隨著溫度升高而降低。

2.2 屈服應(yīng)力值與溫度的關(guān)系

對表3中不同溫度下的本構(gòu)關(guān)系式進(jìn)行分析，并與賓漢型流體的本構(gòu)方程進(jìn)行比較，可以得到遼河油田冷家稠油在不同溫度下的屈服應(yīng)力值(見表4)。

表4 不同溫度下的屈服應(yīng)力值Tab．4 Yield stresses of olifferent tem peratures

從表4可以看出，在測試過程中，當(dāng)溫度達(dá)到80℃時，屈服應(yīng)力值就變?yōu)榱悖虼丝梢哉J(rèn)為，臨界溫度介于70℃ ～80℃。作出溫度從40℃上升到70℃過程中，溫度與屈服應(yīng)力值之間的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫度與屈服應(yīng)力值之間的關(guān)系曲線圖Tab．4 Relation curve of temperature and yield stress

從圖4可以看出，屈服應(yīng)力值隨著溫度的升高而線性遞減。對圖4中的曲線進(jìn)行線性回歸，可以得到公式

在式(7)中，令 τ0=0，則有 T=72.51℃，由此可得到臨界溫度Tc=72.51℃。

2．3 表觀黏度與剪切速率的關(guān)系

在不同溫度下，對遼河油田冷家稠油進(jìn)行流變測試的過程中，得到了如圖5所示的黏度與剪切速率之間的關(guān)系曲線。

圖5 黏度與剪切速率之間的關(guān)系曲線圖Fig．5 Relation curve of viscosity and shear rate

從圖5可以看出，遼河油田冷家稠油具有剪切變稀的特性，即隨著剪切速率的增加，黏度降低。在非常低的剪切速率范圍內(nèi)黏度下降最快，在高剪切速率情況下，黏度近似于不變。當(dāng)溫度高于臨界溫度點時，黏度不再隨剪切速率變化而變化，呈現(xiàn)出牛頓流體的流動狀態(tài);隨著溫度的降低，剪切變稀的特性逐漸增強(qiáng)。由此可見，從遼河油田冷家稠油流變性角度來說，在開采稠油時，保持一定的開采速度也是十分必要的［10］。

3 結(jié)論

1)稠油黏度是溫度、剪切速率的二元函數(shù)。隨著溫度升高，剪切速率增大，黏度降低。

2)當(dāng)溫度T＞臨界溫度(Tc=72.51℃)時，稠油表現(xiàn)為牛頓流體的流變特性;當(dāng)溫度T＜Tc時，稠油表現(xiàn)為賓漢型非牛頓流體的流變特性。

3)溫度從40℃上升到70℃過程中，屈服應(yīng)力值隨著溫度的升高而呈線性遞減，當(dāng)溫度達(dá)到Tc時，屈服應(yīng)力值就變?yōu)榱恪?/p>

4)在非常低的剪切速率范圍內(nèi)黏度下降最快，在高剪切速率情況下，黏度近似于不變。

［1］ 俞高明．超特稠油流變性綜合研究［J］．河南石油，2004，18(3):40-43．

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