流變參數對配注管道管徑選取的影響實驗研究

冷冬梅 汪家旺 于力 周波 劉琴

1大慶油田工程有限公司

2大慶油田有限責任公司物資裝備部

3大慶鉆探集團公司鉆井二公司

管道運輸具有密閉安全、運輸量大、能耗低等優點，成為油田地面系統最主要的運輸方式[1]，管道投資也在地面系統產能規劃投資中占有較大比例。因此，為滿足《油田地面工程設計》中聚合物驅油地面工程設計“盡可能節省地面建設投資”的設計原則[2]，需要對管徑選取更加地精細。

1 配注管道的管徑選取

配注管道的管徑選取主要是滿足管道水力計算要求。聚合物溶液的管流阻力可按式（1）計算。

式中：Δp為管道壓降，Pa；L為管線長度，m；K為稠度系數，Pa·sn；n為流變行為指數，0＜n≤1，無量綱；qv為流量，m3/s；D為管內徑，m。

從式（1）可以看出，管徑選取最主要的兩個參數為稠度系數K和流變行為指數n。因此，這兩個參數的準確度會對管徑計算產生較大影響。

目前，大慶油田配注系統規劃方案計算中，只有三種相對分子質量聚合物母液（質量濃度為5 000 mg/L）的K、n值，目的液只給出了一組數據（表1）。由于數據量較小，造成工藝計算時工藝設備及管道的處理能力計算結果不夠精確，會導致設備及管道的剩余能力偏大。

表1 配注系統在用流變參數Tab.1 Rheological parameters in use of injection and allocation system

2 聚合物溶液流變特性室內實驗

聚合物溶液的流變性是指溶液承受的剪切應力與剪切速率之間的相互關系，亦稱本體流變性，通常用溶液視黏度（表觀黏度）隨剪切速率的變化關系表示[3]。聚合物溶液的流變性是工程設計、數值模擬和動態預測的基礎依據[4]，在油田配注系統的管徑選取、機泵選擇中起著重要的作用[5]。

從以往的聚合物溶液流變曲線測試實驗可知，視黏度與剪切速率的關系符合冪律規律[6-8]，基本方程為

式中：μa為視黏度，Pa·s；γ˙為剪切速率，s-1。

為了使流變參數的選取更加精確，開展了大慶油田常用6 種聚合物配制液的流變特性研究，得出了不同溫度、不同目的液濃度條件下的流變曲線，擬合出不同條件下的流變參數K、n值。

（1）實驗介質。中低分子量抗鹽、低分子量（非抗鹽）、1 200～1 600 萬中分子量（非抗鹽）、1 600～1 900 萬高分子量（非抗鹽）、2 500 萬超高分子量抗鹽、3 500 萬超高分子量抗鹽6 種大慶油田常用聚合物。

（2）實驗條件。溶液濃度1 000～7 000 mg/L，測試溫度20～40 ℃。

（3）實驗采用標準。GB 10247—2008《黏度測試方法》。

（4）實驗儀器。安東帕MCR301 旋轉流變儀（圖1）、電子天平、IKA 電子攪拌器（圖2）、磁力攪拌器等。

圖1 安東帕MCR301 流變儀Fig.1 Anton-paar MCR301 rheometer

圖2 IKA 電子攪拌器Fig.2 IKA electronic stirre

（5）實驗步驟。實驗步驟為：①按照5 000 mg/L濃度配比計算后稱取一定量的聚合物干粉和污水；②將污水放置于電子攪拌器下，攪拌過程中加入聚合物干粉，再攪拌一定時間（本文取2 h），使其充分溶解熟化，配制成聚合物母液，取部分樣品進行流變曲線測試；③在配制好的聚合物母液中加入定量的污水，用磁力攪拌器攪拌20 min，使其配制成需要的濃度（1 000～4 000 mg/L），配制好后每個濃度分別取部分樣品進行流變曲線測試；④對于濃度為6 000 和7 000 mg/L 的樣品，按照配制母液的方法分別配制，取部分樣品進行流變曲線測試；⑤將配制好的樣品放入MCR301 流變儀中，用旋轉黏度法進行樣品的流變特性測試，測試后利用儀器自帶擬合程序進行流變曲線的擬合，得出流變參數K、n。部分測試結果見表2。

表2 配注系統測試部分參數Tab.2 Test parameters of injection and allocation system (excerpt)

3 流變參數在管徑計算中的應用

模擬新建一條管道，對管道輸送各類相對分子質量聚合物母液時的新舊參數進行對比。管道輸量1 200 m3/d，長度2.0 km，材質為鋼管，輸送介質為濃度5 000 mg/L 聚合物母液。利用工藝計算軟件Pipephase 9.1 進行聚合物母液管道管徑選取的計算，計算結果見表3。

從模擬管道對比計算可以看出，n、K值修正后，中低分子量抗鹽、高分子量、2 500 萬超高分子量抗鹽和3 500 萬超高分子量抗鹽聚合物母液管道壓降比原參數有所降低，可以進一步縮小管徑，降低投資。低分子量和中分子量聚合物母液管道壓降比原參數壓降略高，個別情況可能需要增大管徑。母液濃度4 000 和6 000 mg/L 的實驗結論與濃度為5 000 mg/L 的實驗結論相同。

表3 聚合物母液管道計算Tab.3 Calculation of polymer mother liquor pipeline

4 結論

在進行聚合物驅配注系統產能規劃方案編制及設計時，為使母液管道及單井管道選取更加精準，進一步降低油田地面系統建設投資，開展方案編制及初步設計之前建議對樣品進行流變性測試，通過室內實驗得出精確的流變參數，再進行管徑選取計算。受方案編制及設計周期影響，不具備進行室內實驗條件的項目，可以按照表2 進行管徑選取計算。