孤岛稠油流变特性试验研究与数值计算
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摘 要：利用环道实验系统对孤岛稠油的流动特性进行了研究，分析了稠油流速对管输粘度与管输压降的影响，结果表明，当含水率较低时，稠油管输粘度随流速的变化趋势主要与管输温度有关，当含水率高于0.50时，稠油管输粘度基本不随流速发生变化。通过数值计算，得到了稠油粘度与温度、含水率及气液比的关系，发现稠油粘度随温度和含水率的变化曲面如同“翻页”，并利用matlab中的sftool工具箱拟合出孤岛稠油粘度的经验关系式。
稠油的流动特性与多种因素有关，不同的流动状况对稠油表现出的流变性也有影响。使得含水超稠油在一定温度、一定含水率和流量条件下的加热保温管输成为可能[1]。郭东红[2]分析了乳化降粘角度对稠油乳状液流变性质的影响；张跃雷等人[3]从动态和静态两种角度测量了不同粘度稠油的流变特性；王凤岩等人[4]从含水率角度研究了辽河稠油的流变特性；王为民等人[5]分析了超稠油的转相问题，并研究了含水率、温度及剪切速率对含水原油流变特性的影响。本文利用自行设计的环道实验系统对孤岛稠油进行了测试，主要研究了流速对原油粘度及压降的影响，并通过数值计算进行原油流变特性的影响因素分析，建立孤岛稠油粘度的经验关系式。
1 环道实验系统
环道实验系统如图1所示，主要包括油热处理罐、循环水加热罐、污水加热罐、稠油泵、掺水泵、循环水泵、实验测试管段、辅助管段、电伴热带以及自控测试仪表，该系统可实现单一原油/稠油环道流变实验研究及稠油不同比例掺稀、化学降粘、掺水和掺气管道输送试验研究。实验测试管段设有3条平行的实验环道，总长19.74m，可进行不同管径实验数据对比。螺杆泵最大流量6000 L/hr。管路最高工作压力：2.5MPa，最高工作温度为95℃。
2 实验结果分析
2.1 稠油流速对管输粘度的影响
在恒定含水率和管输温度下，测试不同流速下的稠油管输粘度，得到稠油管输粘度与流速的关系曲线，如图2所示。当含水率较低时，稠油管输粘度随流速的变化趋势主要与管输温度有关，这是因为低温下油样的粘壁性较大，低流速时流体与管壁剪切较轻，油部分粘附在管壁上，流动的流体含水相对较高，表现出粘度较低，而随着流速增大，粘附在管壁上的油不断被冲刷下来，流动的流体含水不断降低，从而管输粘度不断增大。当含水率高于0.50时，稠油管输粘度基本不随流速发生变化，管内流态为层流，这是由于在高含水条件下，即使在低温下会有一部分油粘附于管壁上，但由于流体中所含原油较少，粘附的原油数量有限，所以对整个流动流体的粘度影响不大。
2.2 稠油流速对管输压降的影响
在恒定含水率和管输温度下，测试不同流速下的稠油管输压降，得到稠油管输压降与流速的关系曲线，如图3所示。当含水率为0.50时，在管输温度为63℃条件下，管输压降随稠油流速增大而增大，呈线性关系，而在管输温度为50℃条件下，管输压降随稠油流速增大呈先缓慢增加后急剧增大的变化趋势；当含水率高于0.50时，管输压降随稠油流速的变化较小，较为稳定。结合2.1可以看出，随着稠油流速的变化，管输压降的变化规律主要是由管输粘度造成的。
将稠油中C11+组分视为假组分，根据一定温度、含水率的地面脱气稠油粘度，计算假组分分子量M，利用PR粘度方程[6]考虑假组分后的粘度即为稠油粘度，偏心因子由Edmister关联式[7]求解，并进行修正。
3.1 压力对稠油粘度的影响
在恒定含水率及温度下，计算不同压力下的稠油粘度，得到稠油粘度与压力的关系曲线，如图4所示。可以看出，不同含水率及温度条件下的曲线变化规律大致类似，稠油粘度随压力的增加而略有波动，变化不大。分析认为，孤岛稠油C11+假组分的分子量在3800～3900之间，重质组分对稠油粘度的影响很大；地层压力虽然可将轻组分压入稠油，起到降低稠油粘度的作用，但假组分对稠油粘度的影响远超过轻组分降粘作用，最终体现为增压对于降低稠油粘度效果甚微。
3.2 稠油粘度综合影响因素分析
在恒定气液比条件下，计算不同含水率及温度下的稠油粘度，在三维坐标系中绘制含水率、温度和稠油粘度，并利用插值法得到稠油粘度随温度和含水率的变化曲面，如图5所示，图中曲面由上及下分别代表1、21、41、61、81Nm3/t五种气液比。可以看出，各气液比下稠油粘度随温度和含水率的变化趋势相似，变化曲面如同“翻页”，且随着气液比的增加，稠油粘度的整体变化趋势大幅下降，并在低温（35℃）、低含水率（0.23）时减幅最为明显。
3.3 稠油粘度与影响因素的关联式
在一定气液比条件下，以温度和含水率为自变量，稠油粘度为因变量，利用matlab中的sftool工具箱进行曲面拟合，得到不同气液比下稠油粘度关于温度及含水率的关联式，格式如式（1）所示：
通过对不同气液比下拟合关联式系数m32进行统计分析，得到m32随气液比gl的拟合关联式：
将不同气液比下拟合关联式的各项系数mij与m32作比值，得出拟合关联式的系数比Cij，从而得出孤u稠油粘度的经验公式：
式中，μ――计算粘度，mPa.s；
T――温度，℃；
wt――含水率；
gl――气液比，Nm3/t；
mij――计算系数，以m32为基准计算，mij=Cij m32。
4 结论
（1）当含水率较低时，孤岛稠油管输粘度随流速的变化趋势主要与管输温度有关，当含水率高于0.50时，孤岛稠油管输粘度基本不随流速发生变化。
（2）孤岛原油粘度受地层压力影响较小，主要与温度、含水率及气液比有关，稠油粘度随温度和含水率的变化曲面如同“翻页”，且随着气液比的增加，稠油粘度的整体变化趋势大幅下降，并在低温、低含水率时减幅最为明显。
（3）利用matlab中的sftool工具箱拟合出稠油粘度随温度及含水率变化曲面的关联式，并建立拟合关联式各项系数与气液比的关系，从而得出孤岛稠油粘度的经验公式。
参考文献
[1]马春红， 吴晓东. 含水超稠油管输流动特性实验研究[J]. 中国石油大学学报自然科学版， 2005， 29（1）：70-74.
[2]郭东红， 江龙. 辽河稠油原油的流变性质及其乳化降粘[J]. 化学通报， 2002， 10：692-695.
[3]张跃雷， 程林松， 刘倩. 稠油流变特性的基础实验研究[J]. 特种油气藏， 2009， 16（6）：64-66.
[4]王凤岩， 嵇锐， 王忠伟， 等. 特（超）稠油流变特性试验研究及应用[J]. 特种油气藏， 2002， 9（5）：91-93.
[5]王为民， 李恩田. 辽河油田含水超稠油流变特性研究[J]. 石油化工高等学校学报， 2003， 22（16）：69-71.
[6]郭绪强， 荣淑霞， 杨继涛， 等. 基于PR状态方程的粘度模型[J]. 石油学报， 1999， 3：56-59.
[7]Edmister，W.C. Applied Hydrocarbon Thermodynamics， Part 4： Compressibility Factors and Equations of State[J]. Pet， Refiner， 1958， 37， 173-175.
作者简介
柏松，中国石油大学（华东）在读研究生，研究方向：油气储运工程。