利用攪拌測(cè)黏法研究CO2溶解對(duì)稠油黏度的影響

李傳憲， 魏國慶， 馬曉斌， 孫廣宇， 楊 飛

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580；2. 山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580；3. 青島市環(huán)海油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580；4. 中國石油天然氣公司 青海油田管道輸油處，青海 格爾木 816000)

利用攪拌測(cè)黏法研究CO2溶解對(duì)稠油黏度的影響

李傳憲1,2,3， 魏國慶1， 馬曉斌4， 孫廣宇1,2,3， 楊 飛1,2,3

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580；2. 山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580；3. 青島市環(huán)海油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580；4. 中國石油天然氣公司 青海油田管道輸油處，青海 格爾木 816000)

CO2在原油中的溶解度能夠顯著改變?cè)偷牧髯冃再|(zhì)，從而使其在驅(qū)油、降黏輸送等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。基于攪拌測(cè)黏原理設(shè)計(jì)了一套帶壓溶氣原油攪拌測(cè)黏裝置并制定了相應(yīng)的攪拌測(cè)黏方法，從而可在模擬管輸條件下對(duì)溶CO2稠油體系的黏度進(jìn)行測(cè)量。在此基礎(chǔ)上，探討了溶CO2壓力、剪切率以及溫度對(duì)CO2-稠油混合體系黏度的影響。通過研究發(fā)現(xiàn)，CO2-稠油混合體系的黏度隨著壓力的上升呈指數(shù)方式降低，只需2 MPa的溶氣壓力就可使稠油體系的黏度大幅降低。同時(shí)，隨著溶解CO2壓力的增加，CO2-稠油混合體系的剪切稀釋性增強(qiáng)。此外，在同樣的溶解壓力時(shí)，CO2的降黏幅度隨著溫度的降低而增大。該研究結(jié)果為CO2降黏輸送稠油的可行性提供了技術(shù)支撐。

二氧化碳； 稠油； 攪拌測(cè)黏； 降黏； 壓力

隨著全球能源危機(jī)的加重，以及常規(guī)原油開采的逐漸枯竭，稠油等非常規(guī)原油正在被列為重點(diǎn)開發(fā)項(xiàng)目。截止到2000年底，世界稠油、超稠油的儲(chǔ)量高達(dá)1 000×108t[1]，但由于稠油所具有的高黏度等特點(diǎn)，其開采和輸送都存在很大難度。在開發(fā)這些非常規(guī)原油的過程中，氣驅(qū)采油逐漸成為一種常用的有效提高采收率的技術(shù)，注入氣體主要選擇天然氣、N2和CO2。由于CO2臨界點(diǎn)較低，在地層內(nèi)與原油易達(dá)到混相，因此在CO2氣源充足時(shí)采用CO2驅(qū)油效果更佳。與其它驅(qū)油技術(shù)相比，CO2驅(qū)油具有適用范圍大、驅(qū)油成本低、采油率提高顯著等諸多優(yōu)點(diǎn)。與此同時(shí)，CO2作為一種溫室氣體，其捕集、使用和儲(chǔ)存(CCUS)已經(jīng)引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界越來越多關(guān)注[2-3]。封存CO2在提高油品采收率上的應(yīng)用被廣泛認(rèn)為是減少大氣中CO2排放、應(yīng)對(duì)全球氣候變化的最佳技術(shù)之一[4]。將CO2注入地下進(jìn)行驅(qū)油(CO2-EOR)，通過增加油品采收率的高回報(bào)來降低CO2封存的成本，可有效降低其在大氣中的排放量，對(duì)于控制碳排放具有重要意義。

與此同時(shí)，在原油長距離管道輸送領(lǐng)域，利用CO2的注入使高黏原油改性，從而達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)輸送的目的，也是一種很有前瞻性的工藝。相比于其它傳統(tǒng)的降黏方式，注CO2改性降黏輸送的技術(shù)具有節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)[5]。因此，對(duì)稠油溶CO2改性輸送技術(shù)進(jìn)行研究，具有重要的理論和工程實(shí)用價(jià)值。

到2009年為止，已經(jīng)有不少研究對(duì)CO2-稠油體系的黏性行為進(jìn)行了探索[2,6-18]。在帶壓條件下測(cè)定CO2-稠油體系的黏度，就必須對(duì)體系進(jìn)行密封。因此，在常壓下常用的軸驅(qū)動(dòng)式流變儀不再適用。在上述提及的現(xiàn)有研究中，采用的黏度測(cè)量方式主要有3種，分別為落球測(cè)黏[6,8,13,16-17]、毛細(xì)管測(cè)黏[11,14-15]以及磁力耦合黏度計(jì)測(cè)黏[2,7,10,12,18]。落球測(cè)黏和毛細(xì)管測(cè)黏作為一種間接測(cè)黏方式，無法控制剪切的強(qiáng)度，也只能適用于牛頓流體，方法本身具有局限性。而磁力耦合黏度計(jì)測(cè)黏，是將黏度計(jì)的驅(qū)動(dòng)軸與測(cè)量系統(tǒng)通過磁力耦合的方式進(jìn)行傳動(dòng)，從而在保證密封的條件下進(jìn)行黏度測(cè)量。但黏度計(jì)測(cè)量系統(tǒng)只能用于測(cè)試均質(zhì)流體的黏度，對(duì)非均相流體并不適用，同時(shí)，該測(cè)量方式只能在層流條件下進(jìn)行。

本文根據(jù)攪拌測(cè)黏原理，建立了一套新的測(cè)試帶壓條件下溶氣原油黏度的裝置及相應(yīng)的測(cè)黏方法，該方法可以控制剪切強(qiáng)度，且不受流體類型及流態(tài)的限制。利用該方法，測(cè)試了在不同壓力、溫度、剪切率條件下CO2溶解對(duì)2種稠油的降黏效果，為CO2驅(qū)油以及CO2降黏輸送稠油提供了科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)油樣

實(shí)驗(yàn)中所用油樣為草橋原油和塔里木原油，基本物性見表1。由表1可以看出，草橋原油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量較高，20 ℃下的密度較大，蠟含量較少，是典型的稠油；與草橋稠油相比，塔里木原油中瀝青質(zhì)的含量更高，密度更大。實(shí)驗(yàn)所用CO2氣體純度高于99.8%(青島天源氣體制造有限公司)。

表1 實(shí)驗(yàn)油樣基本物性Table 1 Basic physical properties of the two crude oils used in this study

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

采用自主設(shè)計(jì)的帶壓溶氣原油攪拌測(cè)黏裝置進(jìn)行黏度測(cè)量，如圖1所示。

圖1 帶壓溶氣原油攪拌測(cè)黏裝置示意圖

Fig.1Schematicofthepressurizedstirring-viscometricequipment

本裝置主要由4個(gè)系統(tǒng)組成：(1)供氣加壓系統(tǒng)：CO2氣瓶作為供氣源，活塞式氣罐和手動(dòng)計(jì)量泵可將CO2加壓至指定壓力；(2)高壓反應(yīng)及控溫系統(tǒng)：帶有進(jìn)出氣口和取樣口的密封圓柱形反應(yīng)釜(釜內(nèi)徑80 mm，高度100 mm，體積500 mL)，外部包裹一個(gè)圓柱形水浴，圓柱形水浴溫度由所連接的循環(huán)水浴控制，反應(yīng)釜內(nèi)流體溫度由插入釜內(nèi)的溫度傳感器顯示；(3)攪拌系統(tǒng)：包括連有轉(zhuǎn)速控制器的高速攪拌電機(jī)(轉(zhuǎn)速0～1 500 r/min)、磁力耦合傳動(dòng)器、攪拌槳(槳葉直徑為60 mm的四葉45°斜槳)；(4)測(cè)量系統(tǒng)：連接在攪拌軸上的微量程扭矩測(cè)量儀(南京馳原系統(tǒng)工程有限公司，CYN-027，量程300 mN·m，測(cè)量精度0.1 mN·m)及信號(hào)顯示器。

1.3 攪拌測(cè)黏原理簡介

根據(jù)初步計(jì)算，在實(shí)驗(yàn)所用的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，反應(yīng)釜攪拌槽內(nèi)的雷諾數(shù)(Re)在0.05～1 200。當(dāng)Re<10時(shí)，攪拌槽內(nèi)處于層流狀態(tài)；當(dāng)10104后，處于紊流區(qū)域[19]。因此，實(shí)驗(yàn)過程中各條件下的流場(chǎng)均處于層流或過渡流狀態(tài)。

此外，實(shí)驗(yàn)過程滿足理查德森數(shù)準(zhǔn)則[20]，從而避免了攪拌過程中因開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性(在有剪切力的連續(xù)流體內(nèi)部或有速度差的兩個(gè)不同流體的界面之間發(fā)生的不穩(wěn)定現(xiàn)象)而產(chǎn)生氣泡。在非常高的剪切率條件下，氣穴現(xiàn)象也會(huì)產(chǎn)生氣泡[2]，因此實(shí)驗(yàn)中所設(shè)置的剪切速率在滿足測(cè)量精度的扭矩的情況下均相對(duì)較低。

對(duì)于打漩現(xiàn)象不明顯的流場(chǎng)，在某一恒定轉(zhuǎn)速時(shí)，受攪拌流體的平衡黏度與攪拌扭矩之間存在關(guān)系[21]：

式中，μ為受攪拌流體的表觀黏度，Pa·s；M為因攪拌流體而產(chǎn)生的扭矩，N·m；a、b是參數(shù)。對(duì)于固定的攪拌系統(tǒng)，使用若干種已知黏度的流體，在一定轉(zhuǎn)速下測(cè)量攪拌扭矩，即可確定該轉(zhuǎn)速下的流體黏度與扭矩的關(guān)系式。

為表征反應(yīng)釜內(nèi)流體的表觀黏度隨剪切率的變化，還需確定不同攪拌轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的平均剪切率。對(duì)此，C. A. Metzner等[22]提出一種計(jì)算攪拌槽內(nèi)流體平均剪切率的方法，但其計(jì)算結(jié)果并非整個(gè)攪拌槽內(nèi)所有流體的平均剪切率，而僅是葉輪區(qū)附近的，且該方法只適用于層流條件。張勁軍等[23]根據(jù)能量耗散率與剪切率的關(guān)系，提出攪拌槽內(nèi)流體的平均剪切率可表示為：

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)原理，制定實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)將反應(yīng)釜控溫水浴設(shè)定至測(cè)試溫度，待一定體積(300 mL)的油樣在相同溫度的水浴中恒溫30 min后，倒入反應(yīng)釜中，繼續(xù)恒溫15 min；

(2)連接反應(yīng)釜和CO2供氣加壓系統(tǒng)，首先對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)部和管線進(jìn)行吹掃，然后加壓至實(shí)驗(yàn)所需壓力，以較低轉(zhuǎn)速恒溫?cái)嚢柚罜O2在油樣中達(dá)到飽和，即壓力不再變化，恒溫穩(wěn)定1 h，使反應(yīng)釜內(nèi)油氣混合體系達(dá)到平衡；

(3)由低到高調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)預(yù)先設(shè)定的攪拌轉(zhuǎn)速n，記錄在每個(gè)轉(zhuǎn)速下攪拌軸的平衡扭矩，將平衡扭矩中空轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩刨除，得到攪拌流體產(chǎn)生的扭矩M；

(4)根據(jù)式(1)，由扭矩M計(jì)算得到流體黏度μ；

(5)根據(jù)獲得的黏度μ、扭矩M以及攪拌轉(zhuǎn)速n，由式(2)計(jì)算此條件下的平均剪切率；

(6)改變實(shí)驗(yàn)壓力，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，得到不同壓力下溶氣原油黏度-剪切率關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)裝置標(biāo)定及驗(yàn)證

2.1 空轉(zhuǎn)扭矩測(cè)定

首先反應(yīng)釜內(nèi)不加樣品，設(shè)置攪拌槳在不同轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)，利用扭矩測(cè)量儀測(cè)定此時(shí)的空轉(zhuǎn)扭矩，獲得空轉(zhuǎn)扭矩與攪拌轉(zhuǎn)速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該扭矩為磁力耦合傳動(dòng)過程中損耗的扭矩與釜內(nèi)空氣阻力產(chǎn)生的扭矩之和，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)過程中需要刨除。實(shí)驗(yàn)重復(fù)10次，獲得10組空轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，取平均值如表2所示。后文中所用扭矩均指已刨除空轉(zhuǎn)之后的扭矩。

表2 空轉(zhuǎn)扭矩Table 2 Idling torques of the equipment at different rotating speeds

續(xù)表2

2.2 攪拌系統(tǒng)黏度與扭矩關(guān)系標(biāo)定

實(shí)驗(yàn)采用11種黏度在50～15 000 mPa·s之間的已知黏度流體，來標(biāo)定所用實(shí)驗(yàn)裝置的黏度與扭矩之間的關(guān)系。將這些流體分別在反應(yīng)釜中以一定轉(zhuǎn)速進(jìn)行攪拌，并記錄相應(yīng)的扭矩，通過擬合得到式(1)中參數(shù)a、b的值。測(cè)試結(jié)果及擬合參數(shù)分別見圖2和表3。

圖2 11種不同黏度流體在設(shè)定轉(zhuǎn)速下的扭矩及擬合曲線

Fig.2Torquesof11fluidsatdifferentrotatingspeedsandtheirfittedcurveswithviscosities

表3 用式(1)擬合11種流體所得參數(shù)a、b值Table 3 Values of the parameters a and b according to the fitting results of the 11 fluids by Eq. (1)

2.3 可行性驗(yàn)證

為驗(yàn)證該攪拌測(cè)黏方法的可行性，首先采用該方法測(cè)試溶氣原油的黏度，然后將其與流變儀測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。具體步驟為：①在35 ℃、2.0 MPa

條件下使用帶壓溶氣原油攪拌測(cè)黏裝置按照1.4部分所述實(shí)驗(yàn)步驟測(cè)得CO2-草橋稠油混合體系的扭矩；②根據(jù)式(1)和表3中參數(shù)值計(jì)算該混合體系的黏度，繼而根據(jù)式(2)算得各個(gè)轉(zhuǎn)速下的對(duì)應(yīng)剪切率；③將反應(yīng)釜中溶氣原油從取樣口以等壓方式導(dǎo)入高壓流變儀(TAAR—G2)中，將流變儀設(shè)定相同剪切率測(cè)得相應(yīng)黏度，與式(1)計(jì)算得到的黏度值進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 草橋稠油在35 ℃、2.0 MPa下攪拌裝置測(cè)黏結(jié)果與流變儀測(cè)試結(jié)果對(duì)比

Fig.3ComparisonoftheviscositiestestedbythestirringequipmentandtherheometerforCaoqiaoheavyoilat35 ℃and2.0MPa

此外，按照上述步驟在常壓條件下將該方法測(cè)試的原油黏度與流變儀測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如圖4、5所示。

從圖3、4、5的對(duì)比結(jié)果可以看出，該攪拌裝置的測(cè)黏結(jié)果略低于流變儀所測(cè)結(jié)果，兩者相對(duì)誤差保持在15%的范圍內(nèi)，說明該攪拌測(cè)黏方法是可行的，可以用于溶氣原油的黏度測(cè)試。

圖4 草橋稠油在35 ℃、常壓下攪拌裝置測(cè)黏結(jié)果與流變儀測(cè)試結(jié)果對(duì)比

Fig.4ComparisonoftheviscositiestestedbythestirringequipmentandtherheometerforCaoqiaoheavyoilat35 ℃andatmosphericpressure

圖5 塔里木原油在35 ℃、常壓下攪拌裝置測(cè)黏結(jié)果與流變儀測(cè)試結(jié)果對(duì)比

Fig.5ComparisonoftheviscositiestestedbythestirringequipmentandtherheometerforTarimheavyoilat35 ℃andatmosphericpressure

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

分別在不同溫度和CO2飽和壓力(常壓～8 MPa)條件下，測(cè)試草橋和塔里木2種稠油在不同轉(zhuǎn)速(剪切率)剪切時(shí)的表觀黏度，以探索CO2對(duì)稠油的降黏效果及其影響因素。

3.1 溶CO2壓力對(duì)稠油表觀黏度的影響

按照1.4部分所述實(shí)驗(yàn)步驟，在35 ℃溫度條件下，測(cè)試了在不同CO2飽和溶解壓力時(shí)草橋稠油的表觀黏度，測(cè)試結(jié)果見表4和圖6。

表4 35 ℃時(shí)草橋稠油溶不同壓力CO2后的表觀黏度Table 4 Apparent viscosities of Caoqiao heavy oil at 35 ℃ after dissolved by CO2 with different pressures

從表4和圖6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)溶解CO2的壓力達(dá)到2.0 MPa時(shí)，草橋稠油的表觀黏度就已經(jīng)大幅降低至常壓條件下的20%左右。這說明，只需要2 MPa的壓力條件，CO2就可以達(dá)到很好的降黏效果，這對(duì)于CO2降黏輸送稠油具有重要的工程意義。

圖6 35 ℃時(shí)溶CO2草橋稠油表觀黏度隨壓力變化

Fig.6EvolutionoftheapparentviscosityofCaoqiaoheavyoilwiththepressureofdissolvedCO2at35 ℃

隨著CO2溶解壓力的升高，CO2-稠油體系的黏度不斷降低，當(dāng)溶氣壓力達(dá)到8.0 MPa時(shí)，降黏幅度達(dá)到96%以上。結(jié)合前人的研究可知[30-32]，當(dāng)稠油中溶解CO2后，CO2進(jìn)入到稠油分子中間，擴(kuò)大了稠油分子間的距離，對(duì)稠油起到了稀釋作用，致使稠油的黏度降低。由于CO2在稠油中的溶解度隨著壓力的升高而增大，對(duì)稠油的稀釋作用增強(qiáng)，所以飽和CO2-稠油體系的黏度會(huì)隨著壓力的升高而降低。

經(jīng)進(jìn)一步定量分析發(fā)現(xiàn)，溶入CO2后草橋稠油的黏度隨著壓力的增加呈指數(shù)方式降低。黏度對(duì)壓力的依賴性可以用式(3)來表示。

式中，p為溶解CO2的壓力，MPa；α和β為擬合參數(shù)。35 ℃時(shí)溶CO2草橋稠油在擬合后得到的參數(shù)見表5。

表5 35 ℃時(shí)溶CO2草橋稠油擬合所得參數(shù)Table 5 Fitted parameters of Caoqiao heavy oil dissolved by CO2 at 35 ℃

通過相關(guān)系數(shù)R2可知，該關(guān)系式可以很好地描述溶CO2原油體系黏度隨壓力的變化。由表5可以看出，隨著攪拌強(qiáng)度的增大，參數(shù)α的絕對(duì)值隨之升高。α反映的是表觀黏度對(duì)壓力的敏感度，說明在攪拌強(qiáng)度較高的條件下，溶CO2的壓力對(duì)原油黏度的影響更大。這也體現(xiàn)了溶CO2原油的黏度與剪切相關(guān)，具體將在后文3.2部分分析。

同樣地，在35 ℃條件下進(jìn)行了塔里木稠油的溶氣實(shí)驗(yàn)，所得不同壓力下的表觀黏度及擬合結(jié)果見圖7。由圖7可以看出，對(duì)于不同的原油，表觀黏度均表現(xiàn)出隨壓力升高呈指數(shù)方式降低的趨勢(shì)。

圖7 35 ℃時(shí)溶CO2塔里木原油表觀黏度隨壓力變化

Fig.7EvolutionoftheapparentviscosityofTarimheavyoilwiththepressureofdissolvedCO2at35 ℃

3.2 溶CO2稠油表觀黏度隨剪切率的變化

從表4還可以發(fā)現(xiàn)，溶解CO2后的原油混合體系變?yōu)榈湫偷募羟邢♂屝粤黧w。通過式(2)計(jì)算原油混合體系在不同壓力、不同轉(zhuǎn)速下所對(duì)應(yīng)的剪切率，即可定量確定混合體系在不同壓力下的流變曲線，從而確定溶CO2的壓力對(duì)混合體系剪切敏感性的影響。對(duì)草橋稠油和塔里木稠油的計(jì)算結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，在未溶解CO2時(shí)，草橋稠油和塔里木稠油在35 ℃時(shí)為牛頓流體，黏度基本不隨剪切率的增加而變化；當(dāng)溶CO2壓力達(dá)到2.0 MPa左右時(shí)，混合體系的表觀黏度隨剪切率的上升有所降低；隨著壓力繼續(xù)上升，表觀黏度對(duì)剪切率的敏感性也逐漸增強(qiáng)，黏度隨剪切率升高而下降的幅度增大。

圖8 35 ℃時(shí)在不同溶CO2壓力下2種稠油混合體系的流變曲線Fig.8 Flow curves of the two CO2-heavy oil mixtures at different pressures and 35 ℃

CO2溶解到稠油中后，會(huì)導(dǎo)致稠油中原本處于溶解態(tài)的瀝青質(zhì)析出[33-35]，形成懸浮的固態(tài)瀝青質(zhì)顆粒，從而使CO2-稠油混合體系表現(xiàn)出剪切稀釋的特性。隨著CO2溶解的增多，對(duì)稠油內(nèi)部膠體結(jié)構(gòu)的影響增強(qiáng)，從而剪切稀釋特性也變得更加明顯[36-37]。

3.3 溫度對(duì)溶CO2稠油降黏效果的影響

在22 ℃條件下測(cè)試草橋稠油溶CO2后的降黏效果，得到在不同溶解壓力下的表觀黏度，然后計(jì)算不同溶解壓力時(shí)各轉(zhuǎn)速下的平均降黏幅度，結(jié)果見圖9?？梢园l(fā)現(xiàn)，與35 ℃時(shí)相比，在低溫條件下CO2的降黏效果更好(見圖9(a))。同樣，塔里木稠油在18 ℃時(shí)的降黏幅度也高于35 ℃時(shí)(見圖9(b))。

圖9 不同溫度下CO2對(duì)稠油的降黏幅度對(duì)比Fig.9 Comparison of the viscosity reducing rate caused by the dissolution of CO2 at different temperatures

這是因?yàn)橐环矫嬖诘蜏貢r(shí)，稠油內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均一性提高，而當(dāng)溫度升高后，稠油內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形態(tài)的均一性增加，導(dǎo)致其流變性質(zhì)對(duì)溶CO2壓力等實(shí)驗(yàn)條件的敏感性下降[38]；另一方面，CO2在原油中的溶解度是隨著溫度的降低而增加的[39]，因此在較低溫度時(shí)CO2的溶解量多，降黏效果比高溫時(shí)更好。

通過查CO2相圖可知，在35 ℃時(shí)，6 MPa及以下壓力條件下純CO2處于氣相狀態(tài)，8 MPa時(shí)處于超臨界狀態(tài)；在22 ℃時(shí)，4 MPa及以下壓力純CO2處于氣相狀態(tài)，6.2 MPa時(shí)處于氣液交界狀態(tài)，8 MPa時(shí)則處于液態(tài)。但從降黏效果來看，相態(tài)的變化并未導(dǎo)致CO2-稠油體系的表觀黏度出現(xiàn)突變，這可能與氣相狀態(tài)CO2的溶解已經(jīng)產(chǎn)生相當(dāng)好的降黏效果有關(guān)，或者在與原油共存狀態(tài)下CO2相變的臨界點(diǎn)產(chǎn)生改變。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)攪拌測(cè)黏原理設(shè)計(jì)的帶壓溶氣原油攪拌測(cè)黏裝置，可以方便、準(zhǔn)確測(cè)定CO2-稠油混合體系在不同壓力、溫度、剪切率條件下的表觀黏度。

(2)由于CO2在稠油中的溶解度隨著壓力的升高而增大，對(duì)稠油的稀釋作用增強(qiáng)，導(dǎo)致飽和稠油的表觀黏度隨著壓力的升高呈指數(shù)方式降低。在壓力為2.0 MPa時(shí)，飽和稠油的黏度已經(jīng)有大幅降低；當(dāng)溶氣壓力達(dá)到8.0 MPa時(shí)，降黏幅度可達(dá)96%以上。

(3)CO2溶解到稠油中后，會(huì)導(dǎo)致稠油中的瀝青質(zhì)析出，形成懸浮固態(tài)瀝青質(zhì)顆粒，從而使CO2-稠油混合體系表現(xiàn)出剪切稀釋的特性。隨著CO2溶解增多，剪切稀釋特性也變得更加明顯。

(4)隨著溫度降低，在同樣壓力條件下CO2的降黏幅度升高。

[1] 周鷹.洼83塊薄互層狀出砂稠油油藏開發(fā)對(duì)策研究[J].特種油氣藏, 2017, 24(4): 83-87.

Zhou Ying. Development strategy research on thin-interbedded sand-bearing heavy oil reservoirs in wa83 block[J]. Special Oil & Gas Reservoirs, 2017, 24(4): 83-87.

[2] Behzadfar E, Hatzikiriakos S G. Rheology of bitumen: Effects of temperature, pressure, CO2concentration and shear rate[J]. Fuel, 2014, 116: 578-587.

[3] 劉麗, 萬雪, 楊坤, 等. 低滲透儲(chǔ)層CO2泡沫體系的篩選與性能評(píng)價(jià)[J]. 石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào), 2016, 29(4): 62-71.

Liu Li, Wan Xue, Yang Kun, et al. The CO2foam system selection and performance evaluation of low permeability reservoirs[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2016, 29(4): 62-71.

[4] Kok M V, Ors O. The evaluation of an immiscible-CO2enhanced oil recovery technique for heavy crude oil reservoirs[J]. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 2012, 34(8): 673-681.

[5] 趙煥省,張微.稠油降粘技術(shù)研究及前景展望[J].廣東化工,2013, 40(16): 112-113.

Zhao Huansheng, Zhang Wei. The research and prospect on viscosity reduction technology of heavy oil[J]. Guangdong Chemical Industry, 2013, 40(16): 112-113.

[6] Simon R, Graue D J. Generalized correlations for predicting solubility, swelling and viscosity behavior of CO2-crude oil systems[J]. Journal of Petroleum Technology, 1965, 17(1): 102-106.

[7] Jacobs F A, Donnelly J K, Stanislav J, et al. Viscosity of gas-saturated bitumen[J]. Journal of Canadian Petroleum Technology, 1980, 19(4): 46-50.

[8] Miller J S, Jones R A. A laboratory study to determine physical characteristics of heavy oil after CO2saturation[C]// SPE/DOE Enhanced Oil Recovery Symposium, Tulsa：[s.n.], 1981.

[9] Svrcek W Y, Mehrotra A K. Gas solubility, viscosity and density measurements for athabasca bitumen[J]. Journal of Canadian Petroleum Technology, 1982, 21(4): 31-38.

[10] Mehrotra A K, Svrcek W Y. Measurement and correlation of viscosity, density and gas solubility for marguerite lake bitumen saturated with carbon dioxide[J]. AOSTRA Journal of Research, 1984, 1(1): 51-62.

[11] Jha KN. A laboratory study of heavy oil recovery with carbon dioxide[J]. Journal of Canadian Petroleum Technology, 1986, 25(2): 54-63.

[12] Mehrotra A K, Svrcek W Y. Properties of cold lake bitumen saturated with pure gases and gas mixtures[J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 1988, 66(4): 656-665.

[13] Chung F T H, Jones R A, Nguyen H T. Measurements and correlations of the physical properties of CO2-heavy crude oil mixtures[J]. SPE Reservoir Engineering, 1988, 3(3): 822-828.

[14] Sayegh S G, Rao D N, Kokal S, et al. Phase behaviour and physical properties of lindbergh heavy oil/CO2mixtures[J]. Journal of Canadian Petroleum Technology, 1990, 29(6): 31-39.

[15] Kokal S L, Sayegh S G. Phase behavior and physical properties of CO2-saturated heavy oil and its constitutive fractions: Experimental data and correlations[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 1993, 9(4): 289-302.

[16] 耿宏章, 陳建文, 孫仁遠(yuǎn), 等. 二氧化碳溶解氣對(duì)原油粘度的影響[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2004, 28(4): 78-80.

Geng Hongzhang, Chen Jianwen, Sun Renyuan, et al. Effect of dissolved carbon dioxide on the viscosity of crude oil[J]. Journal of the University of Petroleum, China, 2004, 28(4): 78-80.

[17] 郝永卯, 薄啟煒, 陳月明. CO2驅(qū)油實(shí)驗(yàn)研究[J]. 石油勘探與開發(fā), 2005, 32(2): 110-112.

Hao Yongmao, Bo Qiwei, Chen Yueming. Laboratory investigation of CO2flooding[J]. Petroleum Exploration and Development, 2005, 32(2): 110-112.

[18] Badamchi-Zadeh A, Yarranton H W, Maini B B, et al. Phase behaviour and physical property measurements for VAPEX solvents: Part II. propane, carbon dioxide and athabasca bitumen[J]. Journal of Canadian Petroleum Technology, 2009, 48(3): 57-65.

[19] 施力田, 王英琛, 吳德鈞, 等. 化學(xué)工程手冊(cè)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 1996: 92.

[20] Miles J. Richardson’s criterion for the stability of stratified shear flow[J]. Physics of Fluids, 1986, 29(10): 3470-3471.

[21] 郁辰陽, 張勁軍, 丁振軍, 等. 攪拌測(cè)量法測(cè)定油水混合液流動(dòng)特性[J]. 石油學(xué)報(bào), 2013, 34(3): 574-579.

Yu Chenyang, Zhang Jinjun, Ding Zhenjun, et al. Measuring the flow behavior of oil-water mixtures with the stirring method[J]. Acta Petrolei Sinica, 2013, 34(3): 574-579.

[22] Metzner A B, Otto R E. Agitation of non-newtonian fluids[J]. AIChE Journal, 1957, 3(1): 3-10.

[23] 張勁軍, 黃啟玉, 嚴(yán)大凡. 管輸剪切模擬攪拌槽中流體平均剪切率的計(jì)算[J]. 石油學(xué)報(bào), 2003, 24(2): 94-96.

Zhang Jinjun, Huang Qiyu, Yan Dafan. Estimation of average shear rate in stirred vessels for pipelining shear simulation[J]. Acta Petrolei Sinica, 2003, 24(2): 94-96.

[24] Mulliken C A, Sandler S I. The prediction of CO2solubility and swelling factors for enhanced oil recovery[J]. Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development, 1980, 19(4): 709-711.

[25] Yang C, Gu Y. Diffusion coefficients and oil swelling factors of carbon dioxide, methane, ethane, propane, and their mixtures in heavy oil[J]. Fluid Phase Equilibria, 2006, 243(1): 64-73.

[26] Wen J, Zhang J, Wang Z, et al. Full and partial emulsification of crude oil-water systems as a function of shear intensity, water fraction, and temperature[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2014, 53(22): 9513-9520.

[27] Wen J, Zhang J, Wang Z, et al. Correlations between emulsification behaviors of crude oil-water systems and crude oil compositions[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2016, 146: 1-9.

[28] Wen J, Zhang J, Wei M. Effective viscosity prediction of crude oil-water mixtures with high water fraction[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2016, 147: 760-770.

[29] 文江波, 張勁軍, 鄭飛, 等. 流動(dòng)條件下原油乳化含水率與水相組成的關(guān)系[J]. 石油學(xué)報(bào), 2015, 36(5): 626-632.

Wen Jiangbo, Zhang Jinjun, Zhang Fei, et al. Relationship between emulsified water fraction under flowing conditions and composition of water phase[J]. Acta Petrolei Sinica, 2015, 36(5): 626-632.

[30] Liu B, Shi J, Sun B, et al. Molecular dynamics simulation on volume swelling of CO2-alkane system[J]. Fuel, 2015, 143: 194-201.

[31] Zhang J, Pan Z, Liu K, et al. Molecular simulation of CO2solubility and its effect on octane swelling[J]. Energy & Fuels, 2013, 27(5): 2741-2747.

[32] 韓海水, 李實(shí), 陳興隆, 等. CO2對(duì)原油烴組分膨脹效應(yīng)的主控因素[J]. 石油學(xué)報(bào), 2016, 37(3): 392-398.

Han Haishui, Li Shi, Chen Xinglong, et al. Main control factors of carbon dioxide on swelling effect of crude hydrocarbon components[J]. Acta Petrolei Sinica, 2016, 37(3): 392-398.

[33] Andersen S I, Speight J G. Thermodynamic models for asphaltene solubility and precipitation[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 1999, 22(1): 53-66.

[34] 胡玉峰, 楊蘭英, 郭天民. 高壓注氣條件下瀝青質(zhì)沉淀的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 化工學(xué)報(bào), 2002(2): 212-215.

Hu Yufeng, Yang Lanying, Guo Tianmin. Experimental studies on asphaltene precipitation under high pressure gas injection[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering(China), 2002, 53(2): 212-215.

[35] 楚艷蘋, 胡玉峰, 明云峰, 等. 高壓注氣過程中瀝青質(zhì)沉淀機(jī)理及規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2003, 27(2): 74-77.

Chu Yanping, Hu Yufeng, Ming Yunfeng, et al. Experiment on precipitation amount and mechanism of asphaltene in high-pressure gas injection process[J]. Journal of the University of Petroleum, China, 2003, 27(2): 74-77.

[36] Hu R, Crawshaw J P, Trusler J P M, et al. Rheology of diluted heavy crude oil saturated with carbon dioxide[J]. Energy & Fuels, 2014, 29(5): 2785-2789.

[37] 趙毅, 胡景磊, 李浩程, 等. 塔河稠油活性組分對(duì)油水界面性質(zhì)和乳狀液穩(wěn)定性的影響[J]. 石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào), 2016, 29(6): 32-38.

Zhao Yi, Hu Jinglei, Li Haocheng, et al. Effect of heavy oil constituents on the oil-water interfacial properties and emulsion stability[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2016, 29(6): 32-38.

[38] Mullins O C, Sabbah H, Eyssautier J, et al. Advances in asphaltene science and the yen-mullins model[J]. Energy & Fuels, 2012, 26(7): 3986-4003.

[39] 李東東, 侯吉瑞, 趙鳳蘭, 等. 二氧化碳在原油中的分子擴(kuò)散系數(shù)和溶解度研究[J]. 油田化學(xué), 2009, 26(4): 405-408.

Li Dongdong, Hou Jirui, Zhao Fenglan, et al. Study of molecular diffusion coefficients and solubility of carbon dioxide in a Jinlin crude oil[J]. Oilfield Chemistry, 2009, 26(4): 405-408.

Effect of CO2Dissolution on the Viscosity of Heavy Crude Oil by Stirring-Viscometric Method

Li Chuanxian1,2,3， Wei Guoqing1， Ma Xiaobin4， Sun Guangyu1,2,3， Yang Fei1,2,3

(1.CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,QingdaoShandong266580,China;2.ShandongProvincialKeyLaboratoryofOil&GasStorageandTransportationSafety,QingdaoShandong266580,China;3.QingdaoKeyLaboratoryofCircleSeaOil&GasStorageandTransportationTechnology,QingdaoShandong266580,China;4.PipelineOil-TransmittingDepartmentofQinghaiOilfield,GolmudQinghai816000,China)

Dissolution of CO2in crude oil can change its rheological properties notably, which makes it widely used in the fields of oil displacement, viscosity reduction, transportation and so on. In this study, a pressurized stirring-viscometric equipment was designed based on the stirring viscometry theory, and the corresponding viscometric method was also proposed, so that the viscosity of CO2-heavy oil mixture could be determined under the simulation conditions of pipeline transportation. On the basis of this equipment and method, the effects of pressure, shear rate and temperature on the viscosity of CO2-heavy oil mixture were probed. It was found that the viscosity of CO2-heavy oil mixture decreased exponentially with the increase of pressure. The viscosity of heavy oil system can be greatly reduced by dissolving gas pressure of 2 MPa. Meanwhile, the shear thinning feature became more obvious with increasing pressure of CO2. Moreover, the viscosity reducing rate became greater with decreasing temperature at the same pressure. The results of this study provide technical support for the feasibility of transporting viscosity-reduced heavy crude oil by CO2.

Carbon dioxide; Heavy oil; Stirring viscometry; Viscosity reduction; Pressure

2017-03-15

2017-03-23

中國博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2016M592270);山東省自然科學(xué)基金(ZR2016EEB19)。

李傳憲(1963-)，男，博士，教授，從事膠體界面化學(xué)和油氣管輸技術(shù)的研究；E-mail：lchxian@upc.edu.cn。

孫廣宇(1987-)，男，博士，講師，從事易凝高黏原油的流變性及輸送技術(shù)的研究；E-mail：sunguangyu@upc.edu.cn。

1006-396X(2017)06-0064-09

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

TE832

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.06.013

(編輯 王戩麗)