用幂律本构方程表示 :
τ = Kγn
(1)
式中 τ———剪切应力 , Pa;
K ———稠度系数 , Pa·sn ; γ———剪切速率 , s- 1 ;
n ———流变指数 ,无因次 。
2、 高含水原油流变特性的研究
为了探讨含水原油的流变特性规律 ,进行了大
量的现场和室内的测试工作 。现场试验和室内测试
总之 ,无论是分散相液流对连续相流场的扰动 , 还是液滴的聚集 、变形及排列都与含水率有关 ,显然 原油含水率 fW 是影响含水原油流变特性的主要因 素 ,见图 11～图 14。
图 11 30℃条件下稠度系数与含水率关系曲线
图 13 30℃条件下流变指数与含水率关系曲线
K = fK ( t°×fW )
的油样均取于大庆萨南油田 。试验方法采取改变试
验管道的生产条件 ,测量压力 、流量和温度等参数 ,
同时采取含水油样 ,取样点一般选在管道出口 。为
了求得试验的准确性 ,现场测试所用的标准压力表
和标准温度计等测试仪器均经过标定 。流变测试采
用 RV 22型 粘 度 计 , 粘 度 计 经 标 定 后 其 误 差 在
3 163852,黑龙江大庆市 ;电话 : (0459) 6021468。
度等因素 。在原油含水率较低 、温度较高条件下 ,油
水混合物可按牛顿液体处理 ,而在低于一定温度下 ,
它却随含水率的增高 ,呈现出较强的拟塑性液体特
性 。拟塑性液体的剪切应力和剪切速率之间的关系
不像牛顿 液 体 那 样 成 直 线 变 化 〔1〕。对 这 种 液 体 常
三 、含水原油流变特性 与含水率的关系
粘度是含水原油流变性的重要参数 。含水原油
第 24卷第 8期 龚大利 :大庆油田高含水原油流变性的研究
粘度主要与原油粘度 、液体温度和原油含水率三个 参数有关 。当含水原油流变特性不符合牛顿定律 时 ,其粘度变化与速度梯度有关 ,这种情况下的粘度 称为视粘度 。试验证明 ,含水原油的视粘度在很大 程度上决定于原油的含水率 。在含水率增加到一定 界限之前 ,含水的增加将引起含水原油视粘度的增 加 ,因而输送这种液体所消耗的能量也相应地增加 , 见图 5和图 6。
表 2 不同温度 、含水条件下含水原油流变 参数的回归结果
温度 ( ℃)
不同含水率条件下的 n值
33. 5%
50%
62. 5% 74. 7%
30
0. 546
0. 647
0. 842
0. 322
40
0. 789
0. 717
0. 766
0. 613
温度 ( ℃)
不同含水率条件下的 K值 ( Pa·sn )
度计内外筒 1 ～2 mm 的小间隙内磨擦 ,避免滑动 , 以保证测试的准确性 。测试温度时 ,一般按现场取 样条件 ,将粘度计置于恒温水浴并在规定的温度条 件下恒温 0. 5 h,再进行测试 ,测试后取出全部含水 油样 ,用蒸馏法做含水分析 。图 1 ～图 4 为大庆萨 南油田原油在不同含水率和不同温度条件下的部分 流变性曲线 。
a1 = - 33. 871 + 2 071 315 t
- 0. 068 695 4 t2 + 5. 745 85 ×10- 4 t3
a2 = 60. 951 8 - 5. 102 84 t + 0. 125 169 t2
- 9. 966 29 ×10- 4 t3
a3 = - 28. 846 6 + 2. 515 57 t
图 7 含水率为 33. 5%的原油粘 - 温曲线
图 9 含水率为 62. 5%的原油粘 - 温曲线
图 8 含水率为 50%的原油粘 - 温曲线
随着温度的增大 ,剪切速率对视粘度的影响逐 渐减小 ,即含水原油的流变特性越来越接近牛顿流 体 ,呈牛顿流体的粘度仅随温度而变 。从图中可以 看出 ,在温度大于 40℃以后各剪切速率下的粘 —温 曲线逐渐重叠 。通过对含水原油视粘度 —温度曲线 的分析得出如下结论 。
图 4 含水率为 74. 7%的原油流变曲线 表 1 含水原油流变特性与幂律本构方程的相关系数
温度 ( ℃)
30 40
不同含水率条件下的相关系数
33. 5 % 0. 997 0. 997
50 % 0. 993 0. 993
62. 5 % 1. 000 0. 989
74. 7 % 1. 099 0. 993
(2)
n = fn ( t°×fW )
(3)
通过对大量实测数据的处理和回归分析 ,其流
变指数的函数关系为 :
n
= a0
+ a1 fW
+
a2
f
2 W
+
a3
f
3 W
(4)
其中 a0 = 3. 124 07 - 10 185 179 T + 4 075 258
×10- 3 t2 - 3. 900 5 ×10- 5 t3
从图 1～图 4 中可以看出 ,尽管含水和温度对 含水油的流变特性影响较大 ,但其变化规律符合幂 律流体本构方程 。经回归分析可以得出规律性较 强 、数据接近于 1的相关系数 (见表 1) 。
图 3 含水率为 62. 5%的原油流变曲线
图 1 含水率为 33. 5%的原油流变曲线 图 2 含水率为 50%的原油流变曲线
的变化关系 。从表 2 中可以看出 ,在含水率一定条 件下 ,温度越低 ,其稠度系数越大 ,而流变指数越小 , 这与上面得出的结果是一致的 。其主要原因是 ,稠
第 24卷第 8期 龚大利 :大庆油田高含水原油流变性的研究
·29·
度系数表示流体的粘稠程度 ,而流变指数表示特性 偏离牛顿流体的程度 。对于幂律流体 n < 1、n = 1时 为牛顿流体 , n与 1的差值越大 ,表明流体的特性偏 离牛顿流体越远 。
图 12 40℃条件下稠度系数与含水率关系曲线
五 、含水原油流变参数的计算
大庆油田低温高含水原油系拟塑性流体 ,它的 流变特性可用幂律本构方程表示 。但如何根据影响 含水原油流动特性参数来确定 K、n值 ,还有待进一 步探讨 。
在温度一定条件下 ,由于分散相液滴间距很小 , 导致液滴聚集 ,形成聚集体 。这种聚集体对剪切十 分敏感 ,使得含水原油的流变特性与剪切速度有关 , 表现出非牛顿性 。
- 0. 058 208 3 t2 + 4. 231 77 ×10- 4 t3
式中 fK ———试验测定稠度系数常量 ;
第 24卷第 8期 油 气 储 运
·25·
大庆油田高含水原油流变性的研究
龚大利 3
(中国石油天然气管道局大庆输油气公司 )
龚大利 :大庆油田高含水原油流变性的研究 ,油气储运 , 2005, 24 (8) 25～30。 摘 要 大庆油田在连续开采 40多年后 ,已经进入高含水后期 ,含水量在 80%以上 ,由于高 含水原油的流变特性发生了变化 ,应用原有流变特性已经不能满足工程需要 ,通过对高含水原油的 流变特性和原油流变特性与含水率和温度的关系进行研究 ,给出了高含水原油流变参数的回归计 算公式 ,并对曲线进行了分析 。研究结果表明 ,高含水原油输送的连续相应该尽量采用连续相为水 的水包油型的原油输送 ,对高含水原油管道输送 、设计和改造有着重要意义 。 主题词 输油管道 原油流变性 高含水 温度
四 、含水原油流变特性 与温度的关系
图 7 ～图 10 为不同剪切速率下含水原油的视 粘度随温度的变化关系 ,从图中可以看出 ,视粘度在 很大程度上取决于剪切速率 ,剪切速率越小对应的 视粘度 —温度曲线越陡 ,尤其是在低温条件下 ,剪切 速率对视粘度的影响急剧增大 。产生这种现象的原 因是 ,在低温条件下由于蜡晶的增多和聚集 ,使得含 水原油的视粘度不仅是温度的函数 ,也是剪切速率 的函数 。因此 ,含水原油有较强的非牛顿性 ,而对于 非牛顿流体 ,每一剪切速率下都有一条视粘度随温 度变化的曲线 。
±0. 000 1 Pa·s。
在进行高含水原油流变性测试时 ,油样中会出
现游离水 ,所以 ,在试验时先将油样搅动后再放入粘
度计 进 行 测 试 。对 中 高 含 水 原 油 进 行 流 变 性 测
试时 ,一般都用粘度计的大内筒小间隙 ,使物料在粘
·26·
油 气 储 运 2005年
图 6 40℃条件下含水油视粘度与含水率的关系
含水原油的转相具有非常重要的实际意义 。输 送连续相为水的水包油型含水油所消耗的能量比输 送连续相为油的油包水型含水油所消耗的能量少 , 所以在输送含水原油时应尽量设法使它的连续相为 水而不是油 。
原油组分不同 ,其临界含水率 (即转相点 )也不 相同 ,从图 5和图 6中可以看出 ,大庆油田原油的临 界含水率约为 65%。
(1)在 30～35℃条件下 ,含水原油视粘度随剪 切速率的下降而大幅度上升 ,这对输油管道冷启动 过程是非常不利的 。
(2)当温度增大时 ,含水原油的非牛顿性逐渐 消失 ,视粘度与剪切速率的关系逐渐减弱 。在相应
图 10 含水率为 74. 7%的原油粘 - 温曲线
如上所述 ,大庆萨南油田的低温高含水原油符 合幂律流体本构方程 。通过回归分析 ,在表 2 中列 出了不同含水条件下的稠度系数和流变指数与温度
33. 5%
50%
62. 5% 74. 7%
30
1. 382
0. 789
4. 010
6. 254
40
0. 164
0. 1221ຫໍສະໝຸດ 3010. 365在图 11 ～图 14 中分别给出了温 度为 30℃、 40℃条件下 K、n值随含水率 fW 的变化关系 ,可以看 出温度不同 ,其变化规律也不同 。故稠度系数 K和 流变指数 n可认为是温度 t和含水率 fW 的函数〔2〕。