高黏原油摻氣管輸流動減阻特性研究

王 帥，史勝垚，高明平，朱紫燕，郭晨宇

（延安大學(xué) 石油工程與環(huán)境工程學(xué)院，陜西 延安 716000）

由于全球原油需求穩(wěn)步增長，而常規(guī)原油儲備又逐漸枯竭，二者之間供需矛盾突出，亟需從常規(guī)原油轉(zhuǎn)變?yōu)榉浅Ｒ?guī)原油的開采，故重質(zhì)原油、油砂、頁巖油等非常規(guī)原油將成為世界石油能源主要來源［1］。目前，中國油氣田開發(fā)中高黏原油所占比重越來越大，而高黏原油因高黏高密、重質(zhì)以及組分復(fù)雜，表現(xiàn)出極差的流動性，使其產(chǎn)生嚴(yán)重黏附管壁的現(xiàn)象，這對高黏原油的生產(chǎn)、運輸是極大的挑戰(zhàn)［2］；但同時豐富的高黏原油資源也極大促進(jìn)其輸送技術(shù)的發(fā)展，并促進(jìn)其實際應(yīng)用。從蒸汽拌熱、加熱輸送，到摻混稀油、摻水輸送［3］，再到逐漸涌現(xiàn)出的電場磁場脈沖、改質(zhì)［4］、乳化、摻泡沫輸送［5-6］等降黏減阻管輸工藝，但諸多高黏原油輸送工藝存在并逐漸顯露出各自弊端與攻關(guān)難題。蒸汽拌熱及摻熱集輸工藝不僅能耗高、工藝復(fù)雜、基建投資大，而且環(huán)境污染嚴(yán)重、適應(yīng)性差［7］；熱處理誘導(dǎo)原油膠體結(jié)構(gòu)變化，重復(fù)加熱會惡化原油流變學(xué)特性［8］。而摻混稀油集輸工藝則需大量輕質(zhì)原油、稀釋劑等進(jìn)行混輸，而稀油資源少，配套設(shè)施昂貴，影響后續(xù)煉制。摻水集輸工藝存在均質(zhì)流、分層流、段塞流等流型，油水形態(tài)多種多樣，必將影響壓降預(yù)測結(jié)果，其次用單相流模型預(yù)測油水混輸壓降需黏度等準(zhǔn)確的均質(zhì)流物性參數(shù)，而多相流模型則需搞清油水分散狀態(tài)及流型，以便選用或建立適當(dāng)模型；另外如何使油水液的室內(nèi)攪拌更接近其在管流過程中的攪拌強度，以及反相點的準(zhǔn)確確定等有待進(jìn)一步研究［9］。高黏原油集輸過程存在乳化劑成本、能耗損失大且需處理大量廢水等缺點，難以節(jié)能、低碳、高效，目前高黏原油開采逐漸由熱采技術(shù)向冷采技術(shù)轉(zhuǎn)變，尤其是溶解氣驅(qū)冷采技術(shù)極大地提高了高黏原油產(chǎn)量，這種技術(shù)涉及重油中夾帶細(xì)小氣泡的混合流動，這給高黏原油摻氣等方法應(yīng)用于高黏原油集輸減阻提供了思路。國內(nèi)高黏液體摻氣減阻研究表明，針對高黏原油管輸減阻方法之一是使管道內(nèi)壁存在少量氣體［10-11］，此原理類似于水煤漿摻氣、圓管氣液分層流動減阻現(xiàn)象［12］。本文旨在探究在高黏原油輸送過程中摻氣減阻特性，若將近壁層與油流的摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)榻趯优c空氣之間的摩擦，則可大幅度降低輸送過程中的阻力，進(jìn)而達(dá)到減阻的效果。采用高黏原油與氣體混輸，控制高黏原油與氣體的表觀流速，進(jìn)而探究高黏原油管輸過程流動阻力的變化規(guī)律。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

選用與旅大高黏原油黏度相當(dāng)?shù)陌子妥鳛槟M高黏原油，研究了高黏原油摻氣混輸阻力特征，并對高黏原油摻氣兩相混輸流型變化規(guī)律進(jìn)行了探討。采用SY-05石油密度計，溫度為20 ℃時模擬高黏原油的密度為0.879 5 g·cm-3。采用Rheolab QC 流變儀測量系統(tǒng)，在規(guī)定的測試溫度范圍（20 ℃～70 ℃）內(nèi)，測試白油流變特性和黏溫特性，將其擬合為流變曲線和黏溫曲線，如圖1 所示。由圖1A 可得，在剪切應(yīng)力與剪切速率構(gòu)成的直角坐標(biāo)系中，不同溫度下白油的流變曲線均經(jīng)過坐標(biāo)原點，且剪切速率和剪切應(yīng)力的響應(yīng)成正比，故其呈牛頓流體特性。由圖1B 可看出，在20 ℃～70 ℃，即整個實驗溫度段內(nèi)，當(dāng)溫度升高時，白油黏度逐漸下降，黏溫曲線斜率逐漸減小。而普通高黏原油黏溫特性表現(xiàn)為：在低溫段內(nèi)黏溫曲線較陡，其黏度隨溫度升高而大幅降低；而在高溫段，黏溫曲線較為平緩，高黏原油黏度隨溫度變化幅度減弱?？芍子宛靥匦耘c普通高黏原油黏溫特性類似。本文以20 ℃時原油黏度為指標(biāo)來選定白油作為模擬的高黏原油，研究在室溫下高黏原油摻氣從而達(dá)到降低管輸阻力的效益性。

圖1 白油流變曲線與黏溫曲線

隨著剪切速率的增大，白油的測試應(yīng)力呈直線增加，采用牛頓流體方程擬合流變曲線方程，如表1 所示，其相關(guān)系數(shù)R均大于0.99，表明其在20 ℃～70 ℃范圍內(nèi)屬于牛頓流體，即剪切速率和剪切應(yīng)力的響應(yīng)成正比。在20 ℃時，白油黏度高達(dá)2 089.4 mPa·s，隨著溫度的升高，黏度逐漸降低；50 ℃黏度降至236.6 mPa·s，當(dāng)溫度升高至70 ℃時，黏度逐漸降至85.6 mPa·s，由于黏度較低，故此時高黏原油表現(xiàn)出較優(yōu)的流動性。在整個實驗溫度段內(nèi)，當(dāng)處于低溫段時，白油的黏度隨溫度的升高出現(xiàn)了較大幅度的降低，當(dāng)溫度逐漸升高至70 ℃，即處于較高溫度范圍時，黏度降低的幅度將逐漸減弱。高溫會破壞白油中由于大分子物質(zhì)相互纏繞而形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致其黏度下降。在一定的高溫下，這種大分子物質(zhì)形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將會被徹底破壞，因此，溫度改變對高黏原油黏度變化的作用將會被削弱。

表1 模擬高黏原油在不同溫度下的流變方程

1.2 實驗裝置及流程

高黏原油摻氣減阻實驗?zāi)M裝置由壓縮空氣單元、白油緩沖罐、摻氣短節(jié)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，而壓縮空氣供給單元主要由壓縮機、儲氣罐、壓力調(diào)節(jié)閥構(gòu)成，如圖2 所示。實驗選定白油與空氣的表觀速度分別介于0.167～1.256 m/s 和0.008～0.075 m/s，白油可采用KCB-55 型高溫齒輪泵被注入試驗管段，白油流量由泵頻率控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其達(dá)到相應(yīng)的試驗值；氣體流量的調(diào)節(jié)通過空氣調(diào)節(jié)閥來實現(xiàn)。使用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)氣體壓力，然后打開通入高黏原油摻氣的閥門，把空氣摻入白油中，使高黏原油摻入空氣進(jìn)行混合輸送，待管道輸送穩(wěn)定后測量其各個參數(shù)，通過對各數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而得出流型與壓降的關(guān)系。高黏原油摻氣輸送實驗均在20 ℃進(jìn)行，當(dāng)不同流量的白油、空氣進(jìn)入測試管段后，采用2F04M 型千眼狼高速攝影儀觀察高黏原油摻氣兩相流流型演化，對壓降、白油流量、氣體流量等主要流動參數(shù)進(jìn)行實時采集。

圖2 高黏原油摻氣室內(nèi)實驗裝置及工藝流程

1.3 實驗數(shù)據(jù)處理

引入減阻率DR，即高黏原油摻氣前后穩(wěn)定流動時的壓降變化率，用來描述管流壓降隨摻氣量與白油流量的變化規(guī)律，研究其摻氣減阻效果，表達(dá)式為

其中，?p0為摻氣前的管道兩端壓降（Pa）；?p為摻氣后的管道兩端壓降（Pa）；L為測試管段長度（m）。

2 結(jié)果與討論

2.1 摻氣圓管環(huán)空分層減阻流動理論分析

高黏原油摻氣形成環(huán)狀流，高黏原油在圓管中心位置流動，空氣替代油流在管壁附近形成流動，如圖3所示。高黏原油和空氣界面之間的波動作用以及空氣膨脹作用忽略不計。

圖3 高黏原油摻氣環(huán)狀流

在穩(wěn)定流動過程中，當(dāng)流體流速限定時，流體沿管道產(chǎn)生層層流動，此時剪切面為同心圓柱面，剪切線為平行于管軸的直線。流體微元的運動跡線與剪切線重合。隨距管道軸中心的距離r的增加，流體微元運動的速度減小，因此，管流的剪切速率表示如式（2）所示，符號僅表示其方向。

由流變特性分析可知，高黏油樣在20 ℃～70 ℃區(qū)間呈牛頓流體，其本構(gòu)方程為

其中，τ為剪切應(yīng)力（Pa）；μ為管內(nèi)流體的動力黏度（Pa·s）。

其中，在穩(wěn)定流動的條件，根據(jù)流體流動過程所受力平衡原理［13］，可得剪切應(yīng)力τ與壓差?p之間的關(guān)系為

其中，?p=p1-p2；p1為管道進(jìn)口處壓力（Pa）；p2為管道出口處壓力（Pa）；L為管道長度（m）；R為管道內(nèi)徑（m）。

依據(jù)上述的流動情況，結(jié)合圓管分層流動，可得出流速方程

其中，μg為氣體動力黏度（Pa·s）；μl為高黏原油動力黏度（Pa·s）；|PG|為高黏原油摻氣后壓力梯度（Pa/m），為氣液界面徑向位置（m）。

通過管道斷面的流體體積流量，可表示為

將速度方程代入式（9）積分可得

當(dāng)管道高黏原油中未摻氣時，管內(nèi)充滿高黏原油，即令R*→R時有

其中，|PG|0為摻氣前的管道壓力梯度。

將式（10）、（11）帶入式（1）可得

假設(shè)高黏原油黏度分別為100、500、1 000、5 000、10 000 mPa·s，空氣黏度為17.9×10-3mPa·s，在101.325 kPa、293.15 K 條件下，高黏原油摻氣減阻率DR隨Rr的變化關(guān)系如圖4所示。Rr是R*與管半徑R之比值，R*是氣液界面徑向位置，隨著Rr越大，高黏原油摻氣減阻率越大；此外，由圖4 還可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Rr＜0.05 時，其液相原油黏度越大，相對減阻率越大，即減阻效果越好。

圖4 高黏原油摻氣環(huán)狀流DR隨Rr的變化趨勢

2.2 流型變化特征

采用高速相機拍攝了管內(nèi)徑14 mm 水平管流型隨摻氣比變化特征，當(dāng)白油（模擬稠油）流量一定時，隨摻入氣體的流速增加，管內(nèi)流型變化依次為分散泡狀流、段塞流、彈狀流、分層流、環(huán)狀流，其中段塞流與彈狀流又以段塞-彈狀過渡流為界限，彈狀流與分層流以彈狀分層流為界限，其中分層流可分為光滑分層流、波狀分層流、滾波分層流，如圖5所示。

圖5 內(nèi)徑14 mm水平管流型變化

由于在高黏度油流中，引發(fā)不穩(wěn)定波所需臨界氣體表觀速度較低，發(fā)現(xiàn)從分層流到環(huán)狀流的過渡中直徑影響顯著；相比小直徑管，大口徑管中環(huán)狀流在較低氣體表觀速度下發(fā)生，而小直徑管內(nèi)段塞流更易持續(xù)至較大氣體速度，究其原因是段塞衰減作用及往環(huán)狀流轉(zhuǎn)變。在小管徑中，氣液界面所形成的不穩(wěn)定波更易于充滿管道，而且一旦塞體形成段塞流將會保持，直至含有高能量的氣體穿過塞體；在大管徑中，由于大管徑中有足夠的空間，要使這些不穩(wěn)定波形成段塞流需要較高的氣體能量，而所形成的塞體也很難在高氣體表觀速度下維持；并發(fā)現(xiàn)稠油黏度增加將導(dǎo)致流型結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，段塞流轉(zhuǎn)換為分層流所需的氣相速度明顯提高，分層流向環(huán)狀流的轉(zhuǎn)換所需的氣相表觀速度也將增大。

為探究不同工況條件下的高黏油摻氣輸送過程能夠?qū)崿F(xiàn)摻氣減阻的流型，首先根據(jù)所采集流型變化數(shù)據(jù)繪制水平管內(nèi)流型圖，流型變化有多個影響因素，但其主要因素是稠油和空氣的流量（或流速）和黏度，分別以模擬稠油表觀速度（uso）和空氣表觀速度（usg）為橫、縱坐標(biāo)，根據(jù)圖中散點的分布分析不同油氣表觀速度下，流型的轉(zhuǎn)變趨勢以及管道管徑大小的變化對流型的影響，如圖6 所示。當(dāng)空氣表觀速度近似為0.1 m/s 時，開始出現(xiàn)泡狀流，小管徑管道更會出現(xiàn)氣相速度突然增大的情況，因此段塞流的范圍更大。在一定的空氣流量下，當(dāng)稠油表觀速度增大時，圓管內(nèi)流型存在分層流，同時液位高度也會隨之增加，然而，分層流流型對小管徑管道的水平度有更高的要求，在14 mm 的管道中泡狀流直接向段塞流過渡。稠油表觀速度一定時，隨著空氣表觀速度的增大，出現(xiàn)彈狀流的可能性越小。

圖6 不同稠油-空氣表觀速度下流型變化（內(nèi)徑14 mm）

2.3 壓降及減阻率變化規(guī)律

水平管內(nèi)多相流流型的變化情況復(fù)雜，需要分析流型對壓降大小的影響，以此精準(zhǔn)地計算其壓降大小。根據(jù)相關(guān)研究成果及實驗記過分析，向輸送高黏原油管道中摻入氣體，將近壁層與油流的摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)榻趯优c空氣之間的摩擦，則可大幅度降低輸送過程管道內(nèi)的摩擦壓降，尤其是對于具有剪切稀釋性質(zhì)的流體而言，效果明顯。管路壓降測量溫度在室溫下測定，氣體表觀速度變化時，其壓降大小變化趨勢，如圖7 所示。當(dāng)高黏原油表觀速度較大時，管道中的壓降會隨著氣體的加入而降低，產(chǎn)生減阻特性，當(dāng)氣相表觀流速增加時，兩相流動的壓降隨之降低，比單液相流動的壓降低。

圖7 壓力梯度隨氣體表觀速度變化趨勢圖

根據(jù)高黏原油摻氣減阻機理的分析以及對減阻率理論公式的應(yīng)用，計算出不同油氣表觀速度下的減阻率，并繪制成圖，如圖8 所示，通過圖線分析改變油氣流量對減阻效果的影響。由圖可知，當(dāng)uso＜0.419 m/s 時，摻入氣體有一定的減阻效果，但當(dāng)氣體表觀速度超過0.04 m/s時，減阻率呈現(xiàn)負(fù)增長，表明沒有達(dá)到降黏減阻的效果；當(dāng)uso＞0.419 m/s 時，隨著氣體表觀速度的增加，減阻率保持正增長趨勢，通過減阻率趨勢圖反映油氣表觀速度對降黏效果的影響。通過計算室溫下，不同高黏原油表觀黏度下的摻氣比，進(jìn)而計算出各高黏原油表觀黏度下的減阻率，最終達(dá)到實驗確定最佳摻氣比的目的。由圖可得，當(dāng)uso=0.837 m/s，usg=0.07 m/s 時，此時流型分布屬于彈狀流，減阻效果最好，減阻率可達(dá)14.84%，即為最佳摻氣比，即氣油比為11.59%。

圖8 減阻率隨氣體表觀速度的變化

3 結(jié)論

1）白油可作為模擬高黏原油，白油的黏度和表觀黏度隨著溫度的升高而大幅度降低，且黏度變化幅度隨溫度變化逐漸變緩。

2）通過對高黏原油摻氣減阻理論分析，一方面，當(dāng)氣相流速增大時，隨著混合速度的增大，輸送高黏原油的有效黏度逐漸減小，黏度降低，使流動性得到改善，則必然會使得壓降減?。涣硪环矫?，氣相對液相的干擾程度隨其流速的增大而加劇，產(chǎn)生的附加壓力損失也隨著氣相流速的增大而增大，從而使兩相的壓降升高。當(dāng)時，DR≥0，高黏原油摻氣方可減阻。

3）高黏原油摻氣裝置可用于高黏原油摻氣兩相混輸流型分析與阻力特性評價，隨摻入氣體的流速增加，管內(nèi)流型依次可出現(xiàn)分散泡狀流、段塞流、彈狀流、分層流、環(huán)狀流；在管徑14 mm 實驗管道內(nèi)，當(dāng)uso=0.837 m/s，usg=0.07 m/s 時，減阻效果最好，減阻率可達(dá)14.84%，最佳摻氣比為11.59%。