聚丙烯酰胺水溶液管道流動(dòng)特性研究

呂宇玲，丁慎圓，何利民，安文鵬，劉元威

（1中國石油大學(xué)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580；2中國石油大港油田原油運(yùn)銷公司，天津 300000）

聚丙烯酰胺水溶液管道流動(dòng)特性研究

呂宇玲1，丁慎圓1，何利民1，安文鵬1，劉元威2

（1中國石油大學(xué)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580；2中國石油大港油田原油運(yùn)銷公司，天津 300000）

采用可控溫不銹鋼環(huán)道對(duì)集輸管道常見濃度范圍內(nèi)含聚丙烯酰胺水溶液的流動(dòng)特性進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：溫度對(duì)聚丙烯酰胺溶液壓降梯度的影響存在一個(gè)臨界濃度，在臨界濃度后，聚丙烯酰胺溶液的壓降梯度隨溫度的升高逐漸減小，在臨界濃度前會(huì)出現(xiàn)隨溫度升高壓降梯度增大的現(xiàn)象；壓降梯度隨聚丙烯酰胺濃度的升高先減小后增大，隨流速的降低、溫度的升高聚丙烯酰胺溶液的最低壓降點(diǎn)后移。減阻率隨流速的升高逐漸增大；隨流速的降低、溫度的升高最高減阻率點(diǎn)后移。聚丙烯酰胺溶液表現(xiàn)出明顯的剪切稀釋性。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得到了聚丙烯酰胺溶液的增黏特性占主要地位時(shí)其混合黏度符合的方程組。

聚丙烯酰胺；溶液；流動(dòng)；壓降梯度；減阻率；黏度

隨著東部油田的開采進(jìn)入中后期，我國多數(shù)油井采出液含水量達(dá)到90%甚至更高，聚合物能夠增加驅(qū)替液的黏度，改善油水流度比，提高波及效率，能大幅度提高原油采收率，因此，聚合物驅(qū)在三次采油階段得到了廣泛應(yīng)用。聚丙烯酰胺溶液是最常用的聚合物驅(qū)，雖然國內(nèi)外學(xué)者對(duì)聚丙烯酰胺溶液的特性已進(jìn)行過許多研究，但大多集中在其增黏特性的研究[1-6]或低濃度的管流實(shí)驗(yàn)以及其減阻機(jī)理的研究方面[7-11]。聚丙烯酰胺分子的線性長鏈及其形成的無規(guī)則線團(tuán)對(duì)溶液的黏度有重要影響，相對(duì)分子質(zhì)量越大，分子鏈越長，分子間越易形成鏈纏結(jié)，因此溶液黏度也就越大[12]。關(guān)于聚合物的減阻機(jī)理各國研究者已經(jīng)提出了數(shù)種有代表性的理論[13-16]，并能在一定程度上從不同側(cè)面解釋聚合物的減阻機(jī)理，但到目前為止還沒有一種單一的理論與所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合，可以肯定的是高分子量的柔性聚合物分子鏈?zhǔn)菧p阻的重要原因[17]。蔡偉華[18]實(shí)驗(yàn)研究了聚丙烯酰胺的減阻特性，發(fā)現(xiàn)低溫時(shí)聚丙烯酰胺有較高的減阻效果，高溫時(shí)存在明顯的降解現(xiàn)象。Pereira等[19]研究了柔性高分子鏈的聚環(huán)氧乙烷和聚丙烯酰胺與剛性高分子鏈的黃原膠的減阻性能受濃度、溫度等的影響以及它們之間的不同。Zhang等[20]研究了波紋管中聚丙烯酰胺溶液的流動(dòng)和傳質(zhì)特性。然而針對(duì)三次采油階段采出液中較高聚丙烯酰胺濃度的管流實(shí)驗(yàn)則少有報(bào)道。在采出液含水達(dá)80%甚至更高時(shí)，采出液在集輸管路中的壓降和聚合物溶液的性質(zhì)有很大關(guān)系，在現(xiàn)有工藝條件下采出液中聚合物的濃度可高達(dá)1000mg/L。本文采用某油田現(xiàn)場(chǎng)用聚丙烯酰胺和現(xiàn)場(chǎng)水配制的聚丙烯酰胺溶液對(duì)集輸管道常見聚合物濃度范圍內(nèi)聚丙烯酰胺水溶液的流動(dòng)特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及主要設(shè)備

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，由螺桿泵、質(zhì)量流量計(jì)、實(shí)驗(yàn)管路、儲(chǔ)罐、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。實(shí)驗(yàn)管路為內(nèi)徑25.4mm、長30.8m的不銹鋼套管，夾層可以通過水浴控溫，最外層采用聚氨酯材料保溫。管路沿線布置了P1～P4共4個(gè)Keller壓力傳感器和T1～T4共4個(gè)溫度傳感器。為了更貼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)定為該油田典型原油凝點(diǎn)32℃附近，具體為22℃、25℃、28℃、32℃、37℃。聚丙烯酰胺溶液的性質(zhì)受剪切影響較大，為了充分減少實(shí)驗(yàn)中的剪切作用，除選用剪切作用小的螺桿泵外還在質(zhì)量流量計(jì)上加一路旁通，當(dāng)調(diào)至目標(biāo)流量后立即切換至旁通以減小質(zhì)量流量計(jì)對(duì)聚丙烯酰胺溶液的剪切。表1為相同轉(zhuǎn)速下切換旁通前后采集的壓力數(shù)據(jù)對(duì)比，從表1中可以看出，切換旁通前后壓力數(shù)據(jù)基本一致，可以認(rèn)為切換旁通前后流量基本不變。

圖1 實(shí)驗(yàn)環(huán)道流程圖

表1 相同轉(zhuǎn)速下切換旁通前后壓力數(shù)據(jù)對(duì)比

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 壓降梯度隨流動(dòng)參數(shù)變化規(guī)律

圖2是不同聚丙烯酰胺濃度和流速下聚丙烯酰胺溶液的壓降梯度（dp/dz）隨溫度T的變化規(guī)律。除200mg/L外，其余聚丙烯酰胺濃度下壓降梯度隨溫度的升高均呈逐漸減小的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)闇囟鹊纳呤沟镁郾０啡芤旱酿ざ认陆怠?/p>

聚丙烯酰胺溶液的濃度為200mg/L時(shí)會(huì)出現(xiàn)隨溫度的升高壓降梯度增大的情況，這主要是因?yàn)?00mg/L時(shí)聚丙烯酰胺溶液的減阻特性占主要地位，增黏特性占次要地位，溫度的升高雖然使得聚丙烯酰胺溶液的黏度下降，但是聚丙烯酰胺溶液減阻性能的下降幅度也較大，當(dāng)溶液減阻性能下降的幅度大于溶液增黏性能下降的幅度時(shí)便出現(xiàn)隨溫度的升高聚丙烯酰胺溶液壓降梯度上升的情況。

可以預(yù)見在0～400mg/L內(nèi)有一個(gè)臨界濃度，當(dāng)大于臨界濃度時(shí)隨溫度的升高聚丙烯酰胺溶液增黏特性的下降占主要地位。不同流速下有不同的臨界聚丙烯酰胺濃度值。聚丙烯酰胺濃度為200mg/L、流速0.4m/s和0.6m/s時(shí)，壓降梯度隨溫度的升高逐漸增大；流速0.8m/s、1.0m/s、1.2m/s和1.4m/s時(shí)壓降梯度隨溫度的升高先減小后增大。這說明聚丙烯酰胺濃度為200mg/L較低流速時(shí)減阻特性對(duì)溫度的升高更敏感，較高流速較低溫度時(shí)增黏特性對(duì)溫度的升高更敏感，較高流速較高溫度時(shí)減阻特性對(duì)溫度的升高更敏感。

圖3是不同溫度和流速下，聚丙烯酰胺溶液的壓降梯度隨聚丙烯酰胺濃度c的變化規(guī)律。從圖3中可以看出，各個(gè)溫度和流速下聚丙烯酰胺溶液的壓降梯度均隨聚丙烯酰胺濃度的升高呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律。

圖2 壓降梯度隨溫度的變化

這是因?yàn)榫郾０啡芤壕哂袦p阻增黏的特性，達(dá)到最低壓降點(diǎn)前，隨溶液濃度的升高減阻性占主要地位，達(dá)到最低壓降點(diǎn)后繼續(xù)增加聚丙烯酰胺濃度，其增黏特性導(dǎo)致壓降梯度升高。22℃流速為0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s時(shí)在聚丙烯酰胺濃度為400mg/L下壓降梯度有最小值，流速為1.0m/s、1.2m/s、1.4m/s時(shí)在聚丙烯酰胺濃度為200mg/L時(shí)壓降梯度有最小值。溫度為37℃時(shí)，各個(gè)流速下均在400mg/L時(shí)壓降梯度有最小值。即較低溫度較低流速時(shí)壓降梯度在400mg/L時(shí)有最小值，較低溫度較高流速時(shí)壓降梯度在200mg/L時(shí)有最小值；較高溫度時(shí)，壓降梯度在400mg/L時(shí)有最小值。表明隨流速的降低、溫度的升高聚丙烯酰胺溶液的最低壓降點(diǎn)后移，即流速越低、溫度越高，要達(dá)到最低壓降點(diǎn)所需的聚合物濃度越高。

圖3 壓降梯度隨聚丙烯酰胺濃度的變化

2.2 減阻率隨流動(dòng)參數(shù)變化規(guī)律

減阻率是減阻劑的一個(gè)重要參數(shù)，本文減阻率的定義如式（1）所示。

圖4是22℃時(shí)不同聚丙烯酰胺濃度下聚丙烯酰胺溶液的減阻率隨流速的變化規(guī)律。從圖4中可以看出，各個(gè)工況下聚丙烯酰胺溶液的減阻率均隨流速的升高而逐漸增大，且聚丙烯酰胺濃度越高這種現(xiàn)象越明顯。從圖中還可以看出800mg/L、流速0.4m/s和1000mg/L、流速0.4m/s、0.6m/s時(shí)減阻率為負(fù)值，說明高聚丙烯酰胺濃度低流速下聚丙烯酰胺溶液不僅沒有減阻性能，還會(huì)使溶液的壓降增大，這主要是由聚合物溶液的增黏特性和聚合物的減阻機(jī)理導(dǎo)致的。雖然現(xiàn)在聚合物的減阻機(jī)理有各種不同的理論假說[13-16]，但聚合物能抑制湍流中的能量耗散已達(dá)成共識(shí)，即流動(dòng)為層流時(shí)沒有減阻現(xiàn)象發(fā)生，流動(dòng)為湍流時(shí)才會(huì)出現(xiàn)減阻，且其他條件一定時(shí)湍流強(qiáng)度越高減阻現(xiàn)象越明顯。在較高聚丙烯酰胺濃度較低流速時(shí)聚丙烯酰胺溶液減阻性能很小甚至根本沒有減阻性能，而其增黏特性導(dǎo)致壓降梯度增大。

圖4 減阻率隨流速的變化（22℃）

圖5是不同聚丙烯酰胺濃度和流速下聚丙烯酰胺溶液的減阻率隨溫度的變化規(guī)律。從圖5中可以看出，聚丙烯酰胺溶液濃度為200mg/L時(shí)，減阻率隨溫度的升高整體上呈逐漸減小的趨勢(shì)，但有波動(dòng)現(xiàn)象。其余聚丙烯酰胺濃度下減阻率隨溫度的升高逐漸增大，且流速越低減阻率隨溫度升高的減小幅度越大。這是因?yàn)闇囟鹊纳邥?huì)導(dǎo)致聚丙烯酰胺高分子鏈的斷裂，而高分子鏈的斷裂既使得聚丙烯酰胺的增黏特性下降，又使得聚丙烯酰胺的減阻特性下降，在達(dá)到最大減阻率前分子鏈的斷裂主要表現(xiàn)為減阻特性的下降，在達(dá)到最大減阻率后分子鏈的斷裂主要表現(xiàn)為增黏特性的下降。

圖5 減阻率隨溫度的變化

圖6是不同流速和溫度下聚丙烯酰胺溶液的減阻率隨聚丙烯酰胺濃度的變化規(guī)律。從圖6中可以看出，流速為0.4m/s時(shí)，減阻率隨聚丙烯酰胺濃度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，在聚丙烯酰胺濃度為400mg/L時(shí)有最大減阻率。流速為1.4m/s時(shí)，22℃、25℃時(shí)減阻率隨聚丙烯酰胺濃度的升高逐漸減小，28℃、32℃、37℃時(shí)減阻率隨聚丙烯酰胺濃度的升高先增大后減小，在400mg/L時(shí)減阻率有最大值。即較低流速時(shí)在400mg/L處有最大減阻率，較高流速較低溫度時(shí)在200mg/L處有最大減阻率，較高流速較高溫度時(shí)在400mg/L處有最大減阻率，可以看出隨流速的降低、溫度的升高最高減阻率點(diǎn)后移。這是因?yàn)橄嗤瑵舛认码S流速的降低、溫度的升高聚丙烯酰胺溶液的減阻率均下降，所以隨流速的降低、溫度的升高最高減阻率點(diǎn)后移，即流速越低、溫度越高要達(dá)到最高減阻率所需的聚合物濃度越高。

圖6 減阻率隨聚丙烯酰胺濃度的變化

圖7 混合黏度隨流速的變化（800mg/L）

2.3 混合黏度隨流動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律

圖7是800mg/L時(shí)聚丙烯酰胺溶液的混合黏度μm[管流條件下，由達(dá)西公式反算求得，如式（2）所示]隨流速的變化規(guī)律。從圖7中可以看出，各個(gè)工況下聚丙烯酰胺溶液的混合黏度均隨流速的增大而逐漸減小，表現(xiàn)出明顯的剪切稀釋性。

從圖7中還可以看出，流速從0.4m/s到0.6m/s時(shí)混合黏度下降幅度較大，之后下降幅度逐漸減小，這是因?yàn)榈土魉贂r(shí)聚合物溶液的減阻率較低，隨流速的增大減阻率先迅速增大然后再逐漸增大，導(dǎo)致混合黏度的變化呈現(xiàn)圖中的趨勢(shì)。

2.4 混合黏度模型

本文通過對(duì)聚丙烯酰胺溶液的混合黏度取對(duì)數(shù)值，分析了其隨流動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律，并得出了在聚丙烯酰胺濃度為400～1000mg/L，即增黏特性占主要地位時(shí)lgmμ符合的方程組。

從圖8中可以看出，聚丙烯酰胺濃度為1000mg/L時(shí)，lgmμ隨流速的變化可分為兩個(gè)階段，每個(gè)階段均近似呈線性變化。本文假定相同流速不同溫度下f=lgmμ隨流速v線性變化的斜率fv′不變，即fv′僅和聚丙烯酰胺濃度c有關(guān)。

圖9(a)、(b)分別是流速0.4～0.8m/s和0.8～1.4m/s時(shí)速度相關(guān)系數(shù)fv′隨聚丙烯酰胺濃度的變化關(guān)系。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸得到式（3）、式（4）。

圖8 1000mg/L時(shí)lgmμ隨流速的變化

圖9隨聚丙烯酰胺濃度的變化

從圖10可以看出，流速1.2m/s時(shí)，lgmμ在聚丙烯酰胺濃度400～1000mg/L范圍內(nèi)隨聚丙烯酰胺濃度的升高近似呈線性關(guān)系。

本文假定相同流速不同溫度下lgmμ隨聚丙烯酰胺濃度c線性變化的斜率fc′不變，即fc′僅和v有關(guān)，圖11是濃度相關(guān)系數(shù)fc′隨速度的變化關(guān)系。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸得到式（5）。

圖10 1.2m/s時(shí)lgmμ隨聚丙烯酰胺濃度的變化

圖11′隨流速的變化

圖12 800mg/L時(shí)lgmμ隨溫度的變化

式（5）就是聚丙烯酰胺溶液混合黏度mμ的對(duì)數(shù)值lgmμ在400～1000mg/L范圍內(nèi)符合的方程組。

圖12是800mg/L時(shí)lgmμ隨溫度的變化規(guī)律。從圖12中可以看出，混合黏度隨溫度的增大均近似呈線性減小。對(duì)每個(gè)工況下的lgmμ-T進(jìn)行線性回歸，最后對(duì)所有的數(shù)據(jù)求平均值，得到lgmμ隨T線性變化的斜率為式（6）。

綜上所述可得式（7）。

式中，v為流速，m/s；c為聚丙烯酰胺濃度，g/L。

3 結(jié) 論

本文研究了實(shí)際油田集輸管道中常見聚丙烯酰胺濃度范圍內(nèi)聚丙烯酰胺溶液的壓降梯度和混合黏度隨流速、溫度、聚丙烯酰胺濃度等流動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在達(dá)到臨界濃度后聚丙烯酰胺溶液的壓降梯度隨溫度的升高逐漸減小，減阻率隨溫度的升高逐漸增大；在臨界濃度之前會(huì)出現(xiàn)隨溫度升高聚丙烯酰胺溶液壓降梯度升高，減阻率降低的現(xiàn)象。隨聚丙烯酰胺濃度的升高，壓降梯度先減小后增大，且隨溫度的升高，流速的降低最低壓降點(diǎn)后移。隨聚丙烯酰胺濃度的升高，較低流速時(shí)在400mg/L處有最大減阻率，較高流速較低溫度時(shí)在200mg/L處有最大減阻率，較高流速較高溫度時(shí)在400mg/L處有最大減阻率，隨流速的降低、溫度的升高最高減阻率點(diǎn)后移。隨流速的升高，聚丙烯酰胺溶液的混合黏度逐漸下降，表現(xiàn)出明顯的剪切稀釋性。本文還得出了在聚丙烯酰胺溶液的增黏特性占主要地位時(shí)其混合黏度符合的方程組。

符 號(hào) 說 明

c——聚合物濃度，mg/L

D——管內(nèi)徑，m

V——流速，m/s

Δp0——未加聚合物時(shí)的壓降，kPa

ΔpC——加入聚合物時(shí)同段管路相同流量下的壓降，kPa

Re——雷諾數(shù)，量綱為1

ε——減阻率，%ρ——溶液密度，kg/m

μm——混合黏度，mPa·s

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Flow characteristics of polyacrylamide solution in a pipeline

Lü Yuling1，DING Shenyuan1，HE Limin1，AN Wenpeng1，LIU Yuanwei2
（1Department of Storage & Transportation Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，Shandong，China；2China Dagang Oilfield Petroleum Distribution Company，Tianjin 300000，China）

This passage studies the flow characteristics of polyacrylamide （PAM） solution in a pipeline at the common concentration range of gathering lines. The experiments were carried out in a 25.4 mm nominal bore horizontal double-wall pipeline which is made up of stainless-steel and can be temperature controlled by a water bath. The results show that：there is a critical concentration point existing on the influence of temperature on pressure drop gradient，after the concentration point the pressure drop gradient decreases with the rise of temperature，before the critical concentration point pressure drop gradient increasing with the rise of temperature would occur，the critical concentration point is related to velocity；the pressure drop gradient first decreases then increases with the rise of PAM concentration，the minimum pressure drop point would move backwards with the decrease of velocity and rise of temperature. The drug reduction efficiency increases with the rise of temperature，the maximum drug reduction point would move backwards with the decrease of velocity and rise of temperature. The polyacrylamide solution shows an apparent property of shear thinning. Through the analysis of the experimental data an equation set of PAM solution’s mixture viscosity is obtained.

polyacrylamide；solution；flow；pressure drop gradient；drug reduction efficiency；viscosity

TE 8

A

1000-6613（2014）10-2592-07

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.10.013

2014-04-02；修改稿日期：2014-05-19。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51106182）。

及聯(lián)系人：呂宇玲（1971—），女，博士，教授，主要從事油氣水多相流與多相分離研究。E-mail lyl8391811@163.com。