流變參數(shù)對(duì)配注管道管徑選取的影響實(shí)驗(yàn)研究

冷冬梅 汪家旺 于力 周波 劉琴

1大慶油田工程有限公司

2大慶油田有限責(zé)任公司物資裝備部

3大慶鉆探集團(tuán)公司鉆井二公司

管道運(yùn)輸具有密閉安全、運(yùn)輸量大、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，成為油田地面系統(tǒng)最主要的運(yùn)輸方式[1]，管道投資也在地面系統(tǒng)產(chǎn)能規(guī)劃投資中占有較大比例。因此，為滿(mǎn)足《油田地面工程設(shè)計(jì)》中聚合物驅(qū)油地面工程設(shè)計(jì)“盡可能節(jié)省地面建設(shè)投資”的設(shè)計(jì)原則[2]，需要對(duì)管徑選取更加地精細(xì)。

1 配注管道的管徑選取

配注管道的管徑選取主要是滿(mǎn)足管道水力計(jì)算要求。聚合物溶液的管流阻力可按式（1）計(jì)算。

式中：Δp為管道壓降，Pa；L為管線(xiàn)長(zhǎng)度，m；K為稠度系數(shù)，Pa·sn；n為流變行為指數(shù)，0＜n≤1，無(wú)量綱；qv為流量，m3/s；D為管內(nèi)徑，m。

從式（1）可以看出，管徑選取最主要的兩個(gè)參數(shù)為稠度系數(shù)K和流變行為指數(shù)n。因此，這兩個(gè)參數(shù)的準(zhǔn)確度會(huì)對(duì)管徑計(jì)算產(chǎn)生較大影響。

目前，大慶油田配注系統(tǒng)規(guī)劃方案計(jì)算中，只有三種相對(duì)分子質(zhì)量聚合物母液（質(zhì)量濃度為5 000 mg/L）的K、n值，目的液只給出了一組數(shù)據(jù)（表1）。由于數(shù)據(jù)量較小，造成工藝計(jì)算時(shí)工藝設(shè)備及管道的處理能力計(jì)算結(jié)果不夠精確，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備及管道的剩余能力偏大。

表1 配注系統(tǒng)在用流變參數(shù)Tab.1 Rheological parameters in use of injection and allocation system

2 聚合物溶液流變特性室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

聚合物溶液的流變性是指溶液承受的剪切應(yīng)力與剪切速率之間的相互關(guān)系，亦稱(chēng)本體流變性，通常用溶液視黏度（表觀黏度）隨剪切速率的變化關(guān)系表示[3]。聚合物溶液的流變性是工程設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬和動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)依據(jù)[4]，在油田配注系統(tǒng)的管徑選取、機(jī)泵選擇中起著重要的作用[5]。

從以往的聚合物溶液流變曲線(xiàn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)可知，視黏度與剪切速率的關(guān)系符合冪律規(guī)律[6-8]，基本方程為

式中：μa為視黏度，Pa·s；γ˙為剪切速率，s-1。

為了使流變參數(shù)的選取更加精確，開(kāi)展了大慶油田常用6 種聚合物配制液的流變特性研究，得出了不同溫度、不同目的液濃度條件下的流變曲線(xiàn)，擬合出不同條件下的流變參數(shù)K、n值。

（1）實(shí)驗(yàn)介質(zhì)。中低分子量抗鹽、低分子量（非抗鹽）、1 200～1 600 萬(wàn)中分子量（非抗鹽）、1 600～1 900 萬(wàn)高分子量（非抗鹽）、2 500 萬(wàn)超高分子量抗鹽、3 500 萬(wàn)超高分子量抗鹽6 種大慶油田常用聚合物。

（2）實(shí)驗(yàn)條件。溶液濃度1 000～7 000 mg/L，測(cè)試溫度20～40 ℃。

（3）實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)。GB 10247—2008《黏度測(cè)試方法》。

（4）實(shí)驗(yàn)儀器。安東帕MCR301 旋轉(zhuǎn)流變儀（圖1）、電子天平、IKA 電子攪拌器（圖2）、磁力攪拌器等。

圖1 安東帕MCR301 流變儀Fig.1 Anton-paar MCR301 rheometer

圖2 IKA 電子攪拌器Fig.2 IKA electronic stirre

（5）實(shí)驗(yàn)步驟。實(shí)驗(yàn)步驟為：①按照5 000 mg/L濃度配比計(jì)算后稱(chēng)取一定量的聚合物干粉和污水；②將污水放置于電子攪拌器下，攪拌過(guò)程中加入聚合物干粉，再攪拌一定時(shí)間（本文取2 h），使其充分溶解熟化，配制成聚合物母液，取部分樣品進(jìn)行流變曲線(xiàn)測(cè)試；③在配制好的聚合物母液中加入定量的污水，用磁力攪拌器攪拌20 min，使其配制成需要的濃度（1 000～4 000 mg/L），配制好后每個(gè)濃度分別取部分樣品進(jìn)行流變曲線(xiàn)測(cè)試；④對(duì)于濃度為6 000 和7 000 mg/L 的樣品，按照配制母液的方法分別配制，取部分樣品進(jìn)行流變曲線(xiàn)測(cè)試；⑤將配制好的樣品放入MCR301 流變儀中，用旋轉(zhuǎn)黏度法進(jìn)行樣品的流變特性測(cè)試，測(cè)試后利用儀器自帶擬合程序進(jìn)行流變曲線(xiàn)的擬合，得出流變參數(shù)K、n。部分測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 配注系統(tǒng)測(cè)試部分參數(shù)Tab.2 Test parameters of injection and allocation system (excerpt)

3 流變參數(shù)在管徑計(jì)算中的應(yīng)用

模擬新建一條管道，對(duì)管道輸送各類(lèi)相對(duì)分子質(zhì)量聚合物母液時(shí)的新舊參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。管道輸量1 200 m3/d，長(zhǎng)度2.0 km，材質(zhì)為鋼管，輸送介質(zhì)為濃度5 000 mg/L 聚合物母液。利用工藝計(jì)算軟件Pipephase 9.1 進(jìn)行聚合物母液管道管徑選取的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

從模擬管道對(duì)比計(jì)算可以看出，n、K值修正后，中低分子量抗鹽、高分子量、2 500 萬(wàn)超高分子量抗鹽和3 500 萬(wàn)超高分子量抗鹽聚合物母液管道壓降比原參數(shù)有所降低，可以進(jìn)一步縮小管徑，降低投資。低分子量和中分子量聚合物母液管道壓降比原參數(shù)壓降略高，個(gè)別情況可能需要增大管徑。母液濃度4 000 和6 000 mg/L 的實(shí)驗(yàn)結(jié)論與濃度為5 000 mg/L 的實(shí)驗(yàn)結(jié)論相同。

表3 聚合物母液管道計(jì)算Tab.3 Calculation of polymer mother liquor pipeline

4 結(jié)論

在進(jìn)行聚合物驅(qū)配注系統(tǒng)產(chǎn)能規(guī)劃方案編制及設(shè)計(jì)時(shí)，為使母液管道及單井管道選取更加精準(zhǔn)，進(jìn)一步降低油田地面系統(tǒng)建設(shè)投資，開(kāi)展方案編制及初步設(shè)計(jì)之前建議對(duì)樣品進(jìn)行流變性測(cè)試，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得出精確的流變參數(shù)，再進(jìn)行管徑選取計(jì)算。受方案編制及設(shè)計(jì)周期影響，不具備進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件的項(xiàng)目，可以按照表2 進(jìn)行管徑選取計(jì)算。