油水兩相體系流變行為影響因素實驗研究

李俊剛 張磊 樂昕朋

摘 ?????要：考慮含蠟原油管輸過程蠟的沉積機制不但與油水兩相體系的乳化特征有關，也相關于兩相體系的流變行為，分析了油水體系的乳化轉相特征及流變特性，結果表明，除了原油自身組成，溫度和含水率是影響油水兩相體系流變行為的主要因素，實驗油水兩相體系的轉相點含水率值約為55%，通過確定溫度及含水率影響下油水兩相體系的流變指數n與稠度系數K，明確了基于冪律方程描述集輸工況環境下油水兩相體系流變特性的可行性。

關 ?鍵 ?詞：流變特性;乳化轉相;溫度;含水率;油水兩相

中圖分類號：TE 866 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）03-0559-04

Abstract： Considering the influence of emulsification and rheological behavior of oil-water two-phase flow on wax-deposition mechanism of waxy crude during pipeline transportation， the phase inversion and rheological properties were tested. The results indicated that， besides the composition of crude oil， temperature and water-cut were the main influencing factors of rheological behavior. The water-cut of oil-water two-phase flow for the emulsification and phase inversion was 55%， and the rheological index and consistency coefficient of oil-water two-phase flow at different temperature were also determined. Furthermore， the feasibility of using power law equation to describe the rheological properties of oil-water two-phase flow in gathering and transportation environment was verified.

Key words： Rheological property; Phase inversion; Temperature; Water-cut; Oil-water two-phase

與單相含蠟原油一樣，含蠟原油-水兩相體系的流變特性是采用任何手段及方法開展油水兩相流蠟沉積研究的基礎[1-3]。在集輸過程中，油水乳狀液的轉相點通常被認為是視黏度開始下降時的含水率值。采出液無論在井筒流動，還是在集輸管道流動時，輸送能量的損失在很大程度上由表觀黏度決定，一般來講，避免輸送含水率處于轉相點處對于減少能量損失、降低輸送成本具有重要意義[4，5]。對于運行溫度場分布介于含蠟原油析蠟溫度區間的集輸系統，其中管輸過程蠟的沉積機制不但與油水兩相體系的乳化特征有關，也相關于兩相體系的流變行為，測試油水兩相體系的流變特性也可為管輸蠟沉積的描述提供必要基礎數據[6-8]。

1 ?油水兩相體系轉相特性實驗

1.1 ?實驗條件

實驗測試油水介質均取自大慶油田某聯合站，結合集輸實際工況，設計測試溫度為30、35和40℃;剪切速率為10、80和260 s-1;調配原油含水率為10%、20%、30%、45%、55%、65%、75%、85%和95%。

1.2 ?實驗儀器及方法

測試用儀器為應力控制流變儀（AR2000ex，美國TA儀器公司），另外包括恒溫箱（KF-2，姜堰市分析儀器廠）、電子天平（BS2202S，賽多利斯）及高剪切乳化機（SY-20，姜堰分析儀器廠）等必要儀器。

測試方法為黏度法，也就是通過測試不同油-水兩相體系在不同溫度、不同剪切速率條件下的黏度，根據黏度變化規律，確定轉相點。測試過程中，首先將恒溫至測試溫度的油水介質按所調配含水率分別量取、加入到乳化樣杯，然后設置并啟動高剪切乳化機及其輔配的恒溫加熱盤，在6 000 r/min的乳化剪切轉速下乳化2 min，之后將油水乳化液樣品轉移至應力控制流變儀的同軸圓筒測試系統，設定流變儀測試條件和控制參數，進行表觀黏度測試，最后統計數據，建立不同溫度、不同剪切速率條件下油水兩相體系表觀黏度與含水率的變化關系。

1.3 ?實驗結果

實驗測試的轉相特征曲線如圖1-3，可以看出，在30～40 ℃的實驗溫度范圍內，油水兩相體系的轉相點含水率值約為55%。

2 ?油水兩相體系流變特性實驗

2.1 ?實驗條件

測試油水介質同前轉相特性測試實驗;測試溫度同前轉相特性測試實驗;測試油水兩相體系含水率同前轉相特性測試實驗，并行測試不含水原油;測試剪切速率范圍為0～1 000 s-1。

2.2 ?實驗儀器及方法

實驗儀器及主要過程同前轉相特性測試實驗。在應力控制流變儀的穩態剪切模式下，測定不同溫度下油水兩相體系在0～1 000 s-1剪切速率范圍內的剪切應力與黏度特性參數，繼而建立黏度、剪切應力隨剪切速率變化的關系曲線，即、關系曲線。

2.3 ?實驗結果

2.3.1 ?流變特性曲線

測試獲得不同含水率油水兩相體系在不同溫度下的流變特性曲線如圖4-12。

2.3.2 ?流變指數及稠度系數

基于測試獲取的、關系曲線，擬合確定不同溫度條件下油水兩相體系的流變指數和稠度系數K，擬合結果見表1。

（1）溫度對流變行為的影響

根據上述擬合結果，通過建立溫度對流變指數及稠度系數的影響規律可知，由于溫度的升高促進油水兩相體系內分散相液滴的運動、碰撞與聚并，體系乳化穩定性降低，黏度減小，同時溫度的升高使蠟晶析出量減小，油水兩相體系的非牛頓行為減弱，因此流變指數n隨油水兩相體系溫度的升高增大，而稠度系數K則隨溫度的升高逐漸減小。

（2）含水率對流變行為的影響

同樣，根據擬合結果建立油水兩相體系含水率對流變指數及稠度系數的影響規律，可知，在轉相點之前，油水兩相體系的稠度系數K隨含水率的增加而增大，在轉相點之后，稠度系數K則急劇減小，直至趨近于0;而對于油水兩相體系的流變指數n，在不同溫度下，隨著含水率的升高，其變化特征呈現先緩慢增大、再減小、而后急劇增大，實驗方案下油水兩相體系的流變指數n均小于1，屬于假塑性流體特征，因此，可以通過冪律方程來描述其流變特性[9，10]。

3 ?結 論

（1）油水兩相體系的流變行為是其管輸流動特性的微觀再現，實驗以大慶油田含蠟原油為對象，分析了油水體系的乳化轉相特征，在30～40 ℃的溫度范圍內，實驗油水兩相體系的轉相點含水率值約為55%。

（2）除了原油自身組成，溫度和含水率是影響油水兩相體系流變行為的主要因素，確定了溫度及含水率影響下油水兩相體系的流變指數n與稠度系數K，明確了基于冪律方程描述集輸工況環境下油水兩相體系流變特性的可行性。

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