輕質油水乳狀液轉相點模型研究*

李玉星

輕質油水乳狀液轉相點模型研究*

王婭婷1李玉星1宋承毅2

1中國石油大學（華東）2大慶油田設計院

以輕質原油為實驗對象，進行室內環道實驗，根據實驗測量得到的轉相點，優選出精度較高的轉相點計算模型，再對優選出的模型進行改進，使其適合于輕質原油轉相點含水率的計算，并進行實驗驗證。改進模型相比Decarre&Fabre模型計算誤差值有明顯減小，平均誤差在10%以內，最大誤差也明顯減小，說明改進模型在計算輕質油水乳狀液轉相點時取得了很好的效果。

輕質原油；油水乳狀液；環道實驗；轉相點；模型改進

含水原油在管道輸送中常形成油水乳狀液，在油水乳狀液中，當條件發生微小轉變時，會發生從油包水型（W/O）至水包油型（O/W）乳狀液的轉變，反之亦然，這種現象稱為轉相。在轉相點或轉相點附近，流體力學特性會突然改變，導致分散相與管壁間的動量、熱量和質量傳遞速率會發生急劇變化[1]。因此，轉相現象是油水乳狀液非常重要的特性，掌握轉相點對管線安全輸送、節能降耗等都具有重要意義。

轉相的影響因素很多[2-3]，并且這些因素互相影響，在研究轉相問題時不可能考慮到所有影響因素[4]。而原油的密度大小，能一定程度上反映其化學組成和物理性質的差別[5]。因此，本文以輕質原油為實驗對象，進行室內環道實驗，根據實驗測量得到的轉相點，優選出精度較高的轉相點計算模型，再對優選出的模型進行改進，使其適合于輕質原油轉相點含水率的計算，并進行實驗驗證。

1 轉相點模型優選

實驗在中國石油大學（華東）多相流實驗環道上進行。環道由管徑為25.4mm、全長38m的不銹鋼管道組成，U型段的半徑為0.4m。整個環道有4個測試點，在測試點可以對溫度和壓力進行測量，測試點1與測試點2的距離為9m，測試點3和測試點4距離為8m。

實驗從純油相開始，逐漸提高含水率，直到油包水乳狀液轉相為水包油乳狀液。含水原油經泵提速后在環道內流動，當溫度達到實驗要求且油水混合均勻后，通過變頻器來調節螺桿泵的轉速、流量以達到實驗要求的流速。待管道內溫度和流量等參數穩定后，利用數據采集系統對各測試點的流速、壓力、溫度等參數進行采集。

實驗油樣的輕質原油均來自大港油田，20℃時3種原油相對密度大約為0.82～0.86。實驗水樣均為現場油樣脫出水。將上述油樣依次編號為1#～3#。3種油品均為輕質原油，且油品黏度范圍較廣，因此3種原油能很好的代表輕質原油（本文對輕質原油的定義來自GB50350—2005油氣集輸設計規范，20℃時，密度小于或等于0.8650g/cm3的原油為輕質原油）。

1.1 實驗結果

根據實驗得到的壓力數據計算各工況乳狀液的黏度，以1#原油形成的乳狀液為例進行分析。圖1為混合流速為0.6m/s，不同溫度下，乳狀液黏度與含水率的關系曲線；圖2為溫度為45℃時，不同混合流速下，乳狀液黏度與含水率的關系曲線。

從圖1可以看出，1#油樣的轉相點在50%左右。當含水率低于轉相點含水率時，乳狀液黏度隨著含水率的增加而增加；當含水率高于轉相點含水率時，乳狀液黏度隨著含水率的增加而減小。同時，當溫度增大時，乳狀液的黏度會下降，乳狀液黏度的變化幅度也降低。溫度對轉相點的影響較小。

從圖2可以看出，混合流速對轉相點的影響較小。同時，相對于溫度對乳狀液黏度的影響，混合流速的影響較小。

圖1 不同溫度下黏度與含水率關系

圖2 不同混合流速下黏度與含水率關系

1.2 模型誤差分析

將實驗得到的轉相點含水率與各個模型計算得到的計算值進行對比，采用平均相對誤差絕對值進行誤差評價，得到的結果如表1所示。

表1 常用模型計算轉相點平均相對誤差%

由表1及實驗數據可以看出：

（1）Decarre&Fabre模型是計算大港油田輕質原油乳狀液轉相點含水率精度最高的模型，推薦使用Decarre&Fabre模型計算大港油田輕質原油乳狀液的轉相點含水率。

（2）對于1#油樣，最優的模型仍然是Decarre &Fabre模型，但計算的轉相點含水率有偏小的趨勢。其他模型計算的轉相點含水率均偏小，其中，Arirachakarn模型的計算誤差稍小。

（3）對于2#油樣，幾個模型的計算誤差均比較大，最優的是Decarre&Fabre模型。轉相點含水率實驗值為0.6，轉相點含水率較高，模型計算的結果均偏小。這可能是因為原油和油田水中的成分比較復雜，原油和油田水含有的一些物質很有可能會導致轉相點含水率變大，理論及經驗模型難以精確預測每種原油和油田水形成的原油乳狀液的轉相點含水率。

（4）對于3#油樣，幾個模型的計算精度都比較高，其中最優的是Arirachakarn模型，但通過對比圖可以看出，Yeh、Brauner&Ullmann以及Brinkman模型仍然存在計算的轉相點含水率偏低的情況。

2 模型改進

經過前面對模型的評價，Decarre&Fabre模型是國內外常用模型中精度最高的，但平均誤差依然較大。一般認為油滴、水滴直徑與油水密度比以及油水黏度比有很大關系，但兩者所占比例使得模型發生變化，Brauner&Ullmann模型以及Decarre& Fabre模型都體現了這種影響。并且，通過前面的實驗數據分析可以得到，影響轉相點的主要因素跟油品本身有關，溫度和混合流速影響較小。因此，結合Decarre、Brauner等人提出的系統自由能理論對轉相模型進行改進，使其更加適于輕質油水乳狀液轉相點的計算。

Brauner等人在Hinze氣泡直徑模型的基礎上進行了改進，獲得了液滴直徑經驗模型。根據分散相濃度的不同，建立了dilute和dense兩種模型。由于在轉相點附近分散相濃度較高，因此采用dense模型作為液滴直徑模型。

根據Blasius摩阻計算式可以得到管道摩阻系數為

由前面對轉相點研究看出，轉相點附近混合液的黏度高達純油黏度12倍，因此，若摩阻公式中Re采用連續相雷諾數，誤差較大。因此此處Re為混合液雷諾數，其黏度取值取為混合液黏度。

將實驗計算的到乳狀液黏度與各個模型在不同含油率下的表觀黏度進行對比，得到各模型黏度計算平均誤差，其中Brinkman模型計算精度最高。因此在建立轉相模型時可以選取的黏度模型為Brinkman模型。得油水乳狀液轉相前后液滴直徑的比值為

根據系統最小自由能得到發生轉相時的條件為

將式（2）代入式（3），改進的轉相模型為

3 實驗驗證

實驗驗證油樣使用的輕質原油來自大慶油田，20℃原油相對密度為0.845。實驗水樣為現場油樣脫出水。將上述油樣編號為4#。

根據實驗得到轉相點數據與各模型的計算值，經對比得出統計結果，如表2所示。

表2 4#乳狀液模型計算相對黏度誤差

由表2可以看出，改進模型相比Decarre&Fabre模型計算誤差值有明顯減小，平均誤差在10%以內，最大誤差也明顯減小，說明改進模型在計算輕質油水乳狀液轉相點時取得了很好的效果。

4 結論

針對輕質油水乳狀液轉相點計算模型進行了研究，開展了室內環道實驗，在評價現有計算模型的基礎上，對模型進行了修正和完善；結合乳狀液自由能理論，并充分考慮了乳狀液黏度對液滴直徑的影響，在計算輕質油水乳狀液轉相點時取得了很好的效果。主要結論如下：

（1）國內外常用轉相點計算模型中，Decarre &Fabre模型精度最高。

（2）對模型的改進是建立于油水乳狀液中液滴直徑的模型，并根據系統最小自由能來預測兩相分散流發生轉相時的條件。Brauner提出的液滴直徑模型中，在計算管壁摩阻系數f時，Re為連續相雷諾數，黏度采用連續相黏度，而實驗發現，黏度采用油水乳狀液的混合黏度，更符合物理意義，并且貼合實際物理過程。通過實驗對比，推薦實驗Brinkman黏度計算模型。改進后的模型計算精度有了提高。

（3）本模型是通過大港原油乳狀液的黏度數據得到的，原油均屬于輕質原油，因此，暫時認為改進模型只適用于輕質原油油包水乳狀液。

（4）由于模型現在計算的油品還很有限，因此可能需要進一步的完善，此次改進的意義在于將乳狀液黏度的影響直接考慮到液滴直徑計算中。

[1]錢益斌，楊利民．管道內油水兩相流動研究進展[J]．化工進展，2009，28（4）：566-573.

[2]Selker A．H．，Sleicher Jr．C．A.．Factors Affecting Which Phase Will Disperse When Immiscible Liquids are Stirred Together[J]．Can．J．Chem．Eng．，1965（43）：298-301.

[3]Dickinson E.．Thermodynamic Aspects of Emulsion Phase Inversion[J]．J．Coll．Interface Sci．，1982（87）：416-423.

[4]江延明，李傳憲．W/O乳狀液的流變性研究[J]．油氣儲運，2000，19（1）：10～12，19.

[5]李鵬舉，張澍.原油分類問題[J]．油氣儲運，1990，9（1）：75-77.

15063919298、84199224@qq.com

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.11.012

王婭婷：在讀碩士研究生，2012年畢業于中國石油大學（華東）油氣儲運工程專業，現主要從事多相管流及油氣田集輸技術的研究工作。

基金論文：中央高校基本科研業務費專項（13CX06064A）。