油-水兩相流流動特性研究

華偉,蔡亮,徐若語,劉畑,岳陽

1.華北石油管理局有限公司 電力分公司（河北 任丘 062552）2.中航油京津冀物流有限公司（天津 300300）3.中油國際管道有限公司（北京 100029）4.中國石油新疆油田分公司 油氣儲運公司（新疆 昌吉 831100）5.國家管網集團西南管道有限責任公司 蘭州輸油氣分公司（甘肅 蘭州 730060）

隨著常規原油的不斷開采，高黏稠油逐漸成為石油資源的重要組成部分。我國稠油資源豐富，可采儲量占石油資源總量的20%以上，其中新疆、大慶、遼河、勝利等油田均已發現大規模稠油區塊。目前，稠油集輸方式主要有加熱法、摻熱水法、摻稀油法、乳化降黏法、水包油核輸送法等[1-3]。其中加熱法應用最為廣泛，但是能耗過高且要求管線及設備耐高溫，投資和運行費用較高；摻稀油法需要建立單獨的輕質油管線且與稠油混合后兩種油品的品質均出現下降，不利于后期脫水沉降處理。摻熱水法、乳化降黏法和水包油核輸送法是國內外學者及現場人員推薦的輸送方法，這3 種方法都需要形成特定的油水兩相流流型進行輸送，其中前兩種形成水包油型分散流流型，后一種形成水包油核環狀流流型，因此對稠油流型的研究是解決稠油降黏輸送的根本。目前，對油水兩相流流型的研究明顯落后于氣液兩相流，Trallero 等人[4]、Nadler 等人[5]、Angeli等人[6]以及Brauner等人[7-8]先后應用水平管或豎直管對流型進行觀察和試驗，總體上定義了分層流、混合流和分散流3 種流型，并給出了定量分析。以上研究對于認知油水兩相流流動特性具有重要意義，但試驗介質多采用低黏和中黏等輕質油（黏度比在1.13～29.7，密度比在0.684～0.852），而對于高黏稠油研究較少[9-10]。因此，通過室內試驗對稠油-水兩相流的流型進行觀察，結合壓降數據，對兩相流流型轉變進行分析，為稠油輸送提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

油水兩相流室內環道試驗裝置由環道、計量系統和數據采集系統組成[11]。環道包括非觀察段和觀察段，分別采用不銹鋼管和透明管；計量系統包括泵、質量流量計和各類傳感器等；數據采集系統包括計算機、服務器、數據采集及處理軟件等，見圖1。

圖1 兩相流實驗裝置

1.2 實驗過程

1）將油水混合物按照實驗條件混合后加入攪拌罐，隨后打開閥1、閥3和閥4，經螺桿泵增壓后進入實驗環道，經流量計量段、流型發展段、流型穩定段、可視觀察段后返回攪拌罐內，形成開式流程，內管為實驗管路，管徑25.8 mm，總長30.8 m，U型段直徑0.8 m。

2）待質量流量計和各項傳感器數據穩定后（在P1和P2、P3和P4之間分別設置壓差傳感器，將其中一個壓差作為參比數據校核另一個壓差），打開閥2，關閉閥1、閥4，打開雙套管水浴控溫裝置，環空中填充二甲基硅油作為溫控介質，控溫精度0.01 ℃，對環道進行加熱，形成閉式流程。

3）采集溫度、壓力及壓差信號，結合透明石英管進行可視化觀察，通過等動量取樣裝置分析流體的微觀特性，記錄稠油-水兩相流流型轉換及不同影響因素條件下壓降規律。

為排除管道傾角對流型及實驗結果的影響，采用全站儀、水準儀對裝置進行高差校核，控制絕對高差不超過±5 mm。

1.3 實驗條件

實驗流速控制在0.1～1.0 m/s，含水率0.1%～1.0%，實驗溫度65～80 ℃。

實驗介質采用某油田采出液脫水后的原油和蒸餾水。將原油按照SY/T 0520—2008《原油黏度測定旋轉黏度計平衡法》，采用旋轉黏度計進行黏度測試，分別得到30、50、80 s-1剪切速率條件下溫度與黏度之間的關系曲線，如圖2所示。

圖2 油品黏度-溫度曲線

由圖2 可知，該油品50 ℃時油品黏度大于10 000 mPa·s，按照GB 50350—2015《油田油氣集輸設計規范》中術語的相關規定，屬于特稠油，在50～80 ℃范圍內，不同剪切速率下的黏溫曲線基本重合，表現為牛頓流體，不具備剪切稀釋性。

2 結果與討論

2.1 流型轉變及分析

通過可視觀察、等動量取樣、壓差分析等手段，發現稠油-水兩相流流型轉變中共出現5 種兩相流流型，同時按照壓降梯度的數量級大小分為油基流和水基流。由于直連型單螺桿泵吸入能力有限，在低含水高流速的條件下，流體無法吸入泵中，造成數據缺失，同時發現實驗溫度越低，得到的流型種類越少，因此選擇繪制了80 ℃條件下，不同含水率和流速情況下的流型及轉換邊界，如圖3所示。

圖3 油水兩相流型圖（80℃）

由于稠油中含有大量的膠質、瀝青質組分（一般超過體積分數的20%），當含水率小于0.50%時，水相體積較少，在相鄰水相之間的剪切作用和碰撞聚結作用下，油相和水相容易達到平衡狀態，形成油包水分散流型（E w/o），此時的壓降梯度較大且較平穩；當含水率為0.50%～0.60%時，部分水相從油相中分離，在水相重力和湍流脈動力的影響下，在管道底部水與油包水兩種流型交替出現，其余部位為油包水與水流型，此時的壓降梯度較油包水分散流型大，表現為周期性波動特征，上述兩種流型屬于油基流流型，壓降梯度在20～150 kPa/m。當含水率大于0.60%時，共出現了3種流型，且不同含水率的條件下，3 種流型均有體現。此階段混合流速是影響流型的主要因素，當混合流速較低時（Vm＜0.5 m/s），在水相重力的作用下，形成分層流型（E w/o&w stratified），且壓降梯度較小，相比油基流階段的流型壓降梯度小了2個數量級；隨后，受混合流速增大湍流作用的影響，管道底部的部分游離水逐漸克服自身重力的作用，在管內形成了外層水相內層油包水的環狀流（Ew/o&w core-annular），此時的壓降梯度與分層流相差不大且流動較平穩；繼續增大混合流速（Vm＞0.8 m/s），連續水相的湍流作用更加強烈，形成水包油包水乳狀液分散流（D（E w/o）/w）。后3 種流型屬于水基流流型，流型轉換為E w/o&w stratified→Ew/o&w core-annular→D（E w/o）/w，且隨著含水率的提升，流型之間轉換的混合速率不斷減低。

2.2 油水兩相流壓降規律

影響油水兩相流壓降的因素中有含水率、混合流速、溫度，將其中兩項作為定值，同時對照觀察到的流型，研究另外一項與壓降梯度之間的關系。

2.2.1 含水率的影響

含水率對壓降梯度（主要是數量級方面）和不同流型之間的轉換有很大影響，當實驗溫度80 ℃時，含水率與壓降梯度之間的關系如圖4所示。

圖4 不同流速下含水率與壓降梯度關系曲線（80 ℃）

在油基流階段（含水率0～0.6%），當含水率較低時（含水率0～0.5%），管內形成粒徑較小且分布均勻的油包水型乳狀液（E w/o），隨著含水率的繼續增大，分散相水滴的數量不斷增加，分子間的范德華力增加，在反相點處壓降梯度最大，隨后當含水率增加至一定程度，與管壁接觸的部分有水相，導致壓降梯度直線下降，流型開始由油基流向水基流轉變。在水基流階段（含水率0.6%～0.9%），壓降梯度呈平穩狀態，主要原因是由于壓降梯度與管壁接觸到的相態有關，水相黏度隨含水率變化不大，故壓降梯度變化幅度不大。因此，在考慮經濟性的前提下，應盡量在含水率稍大于反相點時輸送稠油，可有效降低壓降梯度。

2.2.2 混合流速的影響規律

混合流速對壓降梯度（主要是數量級方面）和不同流型之間的轉換也有很大影響，當實驗溫度80 ℃時，混合流速與壓降梯度之間的關系如圖5所示。

圖5 不同含水率下混合流速與壓降梯度關系曲線（80 ℃）

隨著含水率的不同，混合流速對壓降梯度的影響主要表現在3 個階段特征，當含水率較低時（＜0.525%），隨著混合流速的增加，壓降梯度呈線性增大趨勢。隨后在含水率為0.525%和0.556%時，壓降梯度呈現先上升后下降的趨勢，存在一個臨界的混合流速，且含水率為0.556%的臨界混合流速比含水率為0.525%的臨界混合流速要小，主要原因是混合流速的增大會促使壓力梯度迅速減小。在越過反相點之后，形成了分層流和環狀流等流型，隨著混合流速的增大，壓降梯度呈緩慢增大趨勢，但變化幅度很小，對輸送的影響不大。

2.2.3 溫度對壓降規律的影響

溫度對壓降梯度的影響也很重要，主要與外相黏度對溫度的敏感程度有關。當混合流速為0.2 m/s 時，不同溫度下含水率與壓降梯度之間的關系如圖6所示。

圖6 不同溫度下含水率與壓降梯度關系曲線（0.2 m/s）

不同溫度條件下，含水率與壓降梯度之間的變化基本保持一致。當含水率為0～0.5%時，此時與管壁接觸的是油相，其黏度隨溫度的變化極為敏感，由圖2可知在剪切速率30 s-1條件下，溫度從55 ℃升高至80 ℃，油品黏度由7 308 mPa·s 降至1 082 mPa·s，降黏幅度達85%，壓降梯度也隨之降低。當含水率為0.5%～0.6%時，過渡流型為油包水與水流型，此時黏度對壓降梯度的影響程度依然很大。當含水率越過反相點后，流型出現轉換，此時水相成為外相，黏度對溫度變化并不敏感，因此壓降梯度隨溫度變化不大，且隨溫度升高呈略微增大趨勢。因此，稠油輸送應控制在水基流階段，且低溫工況優于高溫工況，可有效改善稠油-水兩相流低溫流動性能實現常溫輸送。

此外，溫度對反相含水率影響顯著。由圖6 可知，Vm=0.2 m/s，80 ℃反相含水率為0.525%，65 ℃反相含水率降至0.492%。溫度的降低，一方面油相黏度變大，油水界面張力增強，促使水相破乳掙脫油相的束縛；另一方面用于克服與管壁和油水兩相之間的內能進一步加大。因此兩者綜合作用下，促進了反相的提前發生。

3 結論

1）通過室內環道實驗，共發現稠油-水兩相流流型轉變中出現5 種兩相流，同時按照壓降梯度的數量級大小分為油基流和水基流。

2）分析了含水率、混合流速和溫度對流型和壓降規律的影響，當含水率小于0.6%時，壓降梯度與含水率呈顯著正相關，當含水率大于0.6%時，壓降梯度迅速減小；當含水率小于0.525%時，壓降梯度與混合流速呈顯著正相關，當含水率越過反相點后，壓降梯度與混合流速的相關性減弱。

3）稠油集輸應控制在水基流階段，且低溫工況優于高溫工況，并應根據現場實際情況選擇合適的混合流速。