稠油流變特性研究進(jìn)展

徐冰 齊超 吳玉國(guó)

摘 要：隨著低粘度原油開采量的不斷降低和對(duì)能源的需求，人們?cè)絹碓疥P(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(duì)稠油流變特性的影響因素進(jìn)行比較全面的歸納，綜述了稠油流變特性的研究進(jìn)展情況，另外，針對(duì)稠油流變特性的研究存在的問題和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析和概括。

關(guān) 鍵 詞：稠油；流變特性研究要點(diǎn)；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TE 81 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(duì)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(biāo)都與流變性有直接關(guān)系。我國(guó)稠油地下蘊(yùn)含量十分豐富，由于這類原油的凝點(diǎn)和出現(xiàn)非牛頓流體特性的溫度比較高、粘度 大、流動(dòng)特征偏離牛頓粘性定律、滲流特征不符合達(dá)西定律等特點(diǎn)，使得開采作業(yè)、儲(chǔ)運(yùn)等過程十分困難，而流變性又是合理設(shè)計(jì)管網(wǎng)、優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)的一個(gè)重要理論依據(jù)，所以對(duì)稠油流變特性規(guī)律和其影響因素的研究對(duì)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(diǎn)

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(duì)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(xué)者通過實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，影響原油轉(zhuǎn)相的因素包括含水率（注入水的體積分?jǐn)?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(dòng)形態(tài)等因素[1]。前人總結(jié)出層流時(shí)原油的粘度與含水率之間呈對(duì)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(jì)算式不夠準(zhǔn)確，因此，影響稠油乳狀液轉(zhuǎn)相的問題還需進(jìn)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(dǎo)致乳狀液的表觀粘度較大，對(duì)稠油的地下多孔介質(zhì)的流動(dòng)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(shí)，稠油乳狀液發(fā)生轉(zhuǎn)相，此時(shí)的含水率稱為轉(zhuǎn)相點(diǎn)或臨界含水率，主要表征為表觀粘度降低幅度較大，此時(shí)稠油乳狀液轉(zhuǎn)變?yōu)樗托停ㄋ疄橥庀?、油為?nèi)相）乳狀液，直接導(dǎo)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(dǎo)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(cè)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(dāng)含水率約為18%時(shí)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(diǎn)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(dāng)保持超稠油乳狀液的含水率在轉(zhuǎn)相點(diǎn)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(rèn)識(shí)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(duì)錫14塊超稠油實(shí)驗(yàn)油樣在120 ℃下進(jìn)行脫水處理，利用RV DV-III Brookfield流變儀測(cè)量不同溫度下的表觀粘度，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)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(duì)數(shù)坐標(biāo)中，隨著溫度增大，曲線斜率逐漸減小，表明溫度對(duì)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(duì)溫度的敏感性逐漸增強(qiáng)[5]。當(dāng)溫度增大到牛頓流體轉(zhuǎn)化溫度點(diǎn)時(shí)，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\(yùn)動(dòng)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(huì)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(tuán)、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(huì)直接導(dǎo)致超稠油粘溫關(guān)系變化[6，7]。

1.3 壓力

應(yīng)用HAAKE RS600流變儀、PZ38傳感系統(tǒng)分別測(cè)定了稠油乳狀液在7個(gè)溫度點(diǎn)和3個(gè)不同壓力下（350 kPa、68 0kPa、1MPa）的流變曲線[4]。測(cè)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(diǎn)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(dāng)剪切速率為55 s-1定值時(shí)，在不同壓力的條件下對(duì)江37區(qū)塊稠油的粘度進(jìn)行的測(cè)量研究[8]，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度低于拐點(diǎn)溫度時(shí)，壓力對(duì)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(dāng)溫度高于拐點(diǎn)溫度時(shí)，壓力對(duì)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(duì)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(jìn)一步析出、聚集，使膠團(tuán)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(qiáng)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(shí)間

通過不同的攪拌時(shí)間來制備不同分子粒徑的乳狀液，對(duì)于油包水型乳狀液，分散相顆粒的粒徑對(duì)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(cè)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(shí)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(shí)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(cè)得不同剪切時(shí)間下的乳狀液的流變曲線，發(fā)現(xiàn)隨著剪切時(shí)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(shí)間對(duì)超稠油流變特性的影響不大，其流變學(xué)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(jī)械攪拌后測(cè)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(fù)雜。當(dāng)含水率低于某一值時(shí)，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(shí)超稠油乳狀液的表觀粘度主要受連續(xù)相（油）的影響；當(dāng)含水率增加到某一值時(shí)，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(duì)滑動(dòng)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(dāng)含水率在轉(zhuǎn)相點(diǎn)或轉(zhuǎn)相點(diǎn)附近時(shí)，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(dá)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(duì)稠油流變特性的變化起著決定性的作用，溫度的變化會(huì)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(duì)溫度的敏感性越高，曲線的斜率越大。張宇睿[11]等采用美國(guó)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(diǎn)，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(shí)隨著剪切速率的增大，其表觀粘度逐漸減小，表觀粘度對(duì)剪切速率的敏感性較強(qiáng)；當(dāng)溫度達(dá)到45 ℃后，各個(gè)剪切速率下的粘溫曲線有匯集于一點(diǎn)的趨勢(shì)，表明在全粘溫曲線上必然存在一直線段，此時(shí)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?yàn)樵诘蜏貤l件下，蠟晶析出并不斷聚集，緩慢的布朗運(yùn)動(dòng)也加劇了絮凝體的形成，從而使得稠油的粘度大；當(dāng)溫度升高到某一值時(shí)，分子的布朗運(yùn)動(dòng)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(yīng)力

在某一溫度的條件下，屈服應(yīng)力值可以直觀地反映原油由變形到流動(dòng)，是流體塑性的一個(gè)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)外界施加的驅(qū)動(dòng)壓力大于原油的靜極限剪切應(yīng)力時(shí)，原油才開始流動(dòng)，原油流動(dòng)所克服的靜極限剪切應(yīng)力就是原油的屈服應(yīng)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(yīng)力，阻礙稠油流動(dòng)，產(chǎn)生很大的粘滯阻力[12]，對(duì)流體流動(dòng)產(chǎn)生牽絆作用。在超稠油運(yùn)移或地下滲流時(shí)，屈服應(yīng)力值和流體的初始啟動(dòng)壓力密切相關(guān)，原油的屈服應(yīng)力值越大，其初始啟動(dòng)壓力越大，越不利于原油的集輸，當(dāng)停輸再啟動(dòng)時(shí)可能造成凝管。

王風(fēng)巖[13]等人選取遼河油田冷家超稠油區(qū)塊三組油樣進(jìn)行流變性測(cè)定，得出其相應(yīng)的屈服值，發(fā)現(xiàn)每組油樣都存在對(duì)應(yīng)的拐點(diǎn)溫度，當(dāng)?shù)陀诠拯c(diǎn)溫度時(shí)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(yīng)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(dāng)高于拐點(diǎn)溫度時(shí)，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(yīng)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(yīng)力值和溫度的關(guān)系是密不可分的，所以對(duì)兩者關(guān)系的研究是一個(gè)不可回避的問題。

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

當(dāng)溫度較低時(shí)，溫度的增加會(huì)使屈服應(yīng)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(yīng)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(yīng)該注入高溫度和高干度的蒸汽，這樣才能使屈服應(yīng)力值降低，利于超稠油的開采和運(yùn)移。

2 存在的問題和發(fā)展趨勢(shì)

2.1 存在的問題

目前還沒有成熟的理論預(yù)測(cè)乳狀液從牛頓流體轉(zhuǎn)化成非牛頓流體的臨界體積分?jǐn)?shù)及乳狀液發(fā)生轉(zhuǎn)相的最大體積分?jǐn)?shù)，其原因在于影響因素復(fù)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(shí)驗(yàn)測(cè)量。

在研究方面，對(duì)稠油流變性機(jī)理的認(rèn)識(shí)還比較膚淺，對(duì)流變特性規(guī)律的認(rèn)識(shí)，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(jì)的試驗(yàn)管路進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，在某些試驗(yàn)測(cè)試步驟和方法上還存在問題。迄今為止，國(guó)內(nèi)針對(duì)稠油流變性的大部分研究基本上還在走從試驗(yàn)測(cè)試到總結(jié)試驗(yàn)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(jī)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(yàn)所用的油樣經(jīng)歷的條件不同，常規(guī)方法測(cè)量的結(jié)果可能不能準(zhǔn)確的表示原油的流變特性。

2.2 發(fā)展趨勢(shì)

圍繞著稠油管道安全、經(jīng)濟(jì)與運(yùn)行這一話題，國(guó)內(nèi)外對(duì)稠油流變學(xué)的研究及應(yīng)用方面做了大量的工作。我國(guó)目前對(duì)稠油流變學(xué)及應(yīng)用方面的研究主要是通過對(duì)各種地區(qū)的稠油進(jìn)行試驗(yàn)研究，主要有不同溫度下稠油的流變特性及相應(yīng)的流變模型、稠油的粘溫特性及其數(shù)學(xué)模型、熱歷史和剪切歷史對(duì)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(xué)模型和稠油的屈服應(yīng)力等。只有對(duì)稠油流變特性的影響因素、剪切歷史以及熱歷史等進(jìn)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(jì)算機(jī)模擬科學(xué)有效地處理相關(guān)參數(shù)，可在試驗(yàn)環(huán)道或?qū)嶋H管道上檢驗(yàn)，做出相應(yīng)的定量分析；對(duì)于每一個(gè)地區(qū)的稠油，需經(jīng)過大量重復(fù)性的測(cè)試，稠油流變性相關(guān)的棘手的問題才可能迎刃而解。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳家瑯，唐江寧. 水平管中的—水流動(dòng)現(xiàn)象的分析[J]. 國(guó)外油氣儲(chǔ)運(yùn)，1991（4）：5-7.

[2] 王為民，李恩田，申龍涉，等. 遼河油田含水超稠油流變特性研究[J]. 石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2003，（2）：69-71.

[3] 李雪峰，葛廣濤，周文丁，等. 錫14塊特超稠油流變性實(shí)驗(yàn)研究[J]. 遼寧化工，2014（7）.

[4] 徐源，黃海濱，袁顯佗，等. 渤中稠油乳狀液的流變性實(shí)驗(yàn)研究[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備，2007 （3）：7-9.

[5] 張健，丁健，許晶禹，等. 超稠原油-水乳狀液（W/O）的流變學(xué)特性[C]. 全國(guó)水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議暨全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)，2014.

[6] Pierre C， Barré L， Pina A， et al. Composition and Heavy Oil Rheology[J]. Oil & Gas Science and Technology， 2004， 59（5）： 489-501.

[7] Bazyleva A B， Anwarul Hasan M， Fulem M， et al. Bitumen and Heavy Oil Rheological Properties： Reconciliation with Viscosity Measurements[J]. J. Chem. Eng. Data， 2009， 55（10）：1389-1397.

[8] 趙法軍，劉永建，王廣昀，等. 大慶普通稠油粘溫及流變性研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10：7644-7647.

[9] 嚴(yán)玉圃. 三塘湖油田原油流變性研究. 第四屆西部石油地質(zhì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研討會(huì)議文集[C].

[10] 申龍涉，王戩麗，李恩田，等. 含水超稠油流變性試驗(yàn)與研究[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2007，26（9）：24-26.

[11] 張宇睿. 高含水原油粘溫綜合關(guān)系式研究[J]. 石油天然氣學(xué)報(bào)，2013，35（4）：111-112.

[12] 張?zhí)鞁桑顫h勇，宮敬，等. 油氣水三相流體高溫高壓流變特性實(shí)驗(yàn)[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，2012，31（5）：352-357.

[13] 王風(fēng)巖，嵇銳，王忠偉，等. 特（超）稠油流變特性試驗(yàn)研究及應(yīng)用[J]. 特種油氣藏，2002，9（5）：91-93.

[14] 李向良，李相遠(yuǎn)，楊軍，等. 單6東超稠油粘溫及流變特征研究[J]. 油氣采收率技術(shù)，2000（3）：12-14.