高黏原油摻氣管輸流動減阻特性研究

王 帥，史勝垚，高明平，朱紫燕，郭晨宇

（延安大學 石油工程與環境工程學院，陜西 延安 716000）

由于全球原油需求穩步增長，而常規原油儲備又逐漸枯竭，二者之間供需矛盾突出，亟需從常規原油轉變為非常規原油的開采，故重質原油、油砂、頁巖油等非常規原油將成為世界石油能源主要來源［1］。目前，中國油氣田開發中高黏原油所占比重越來越大，而高黏原油因高黏高密、重質以及組分復雜，表現出極差的流動性，使其產生嚴重黏附管壁的現象，這對高黏原油的生產、運輸是極大的挑戰［2］；但同時豐富的高黏原油資源也極大促進其輸送技術的發展，并促進其實際應用。從蒸汽拌熱、加熱輸送，到摻混稀油、摻水輸送［3］，再到逐漸涌現出的電場磁場脈沖、改質［4］、乳化、摻泡沫輸送［5-6］等降黏減阻管輸工藝，但諸多高黏原油輸送工藝存在并逐漸顯露出各自弊端與攻關難題。蒸汽拌熱及摻熱集輸工藝不僅能耗高、工藝復雜、基建投資大，而且環境污染嚴重、適應性差［7］；熱處理誘導原油膠體結構變化，重復加熱會惡化原油流變學特性［8］。而摻混稀油集輸工藝則需大量輕質原油、稀釋劑等進行混輸，而稀油資源少，配套設施昂貴，影響后續煉制。摻水集輸工藝存在均質流、分層流、段塞流等流型，油水形態多種多樣，必將影響壓降預測結果，其次用單相流模型預測油水混輸壓降需黏度等準確的均質流物性參數，而多相流模型則需搞清油水分散狀態及流型，以便選用或建立適當模型；另外如何使油水液的室內攪拌更接近其在管流過程中的攪拌強度，以及反相點的準確確定等有待進一步研究［9］。高黏原油集輸過程存在乳化劑成本、能耗損失大且需處理大量廢水等缺點，難以節能、低碳、高效，目前高黏原油開采逐漸由熱采技術向冷采技術轉變，尤其是溶解氣驅冷采技術極大地提高了高黏原油產量，這種技術涉及重油中夾帶細小氣泡的混合流動，這給高黏原油摻氣等方法應用于高黏原油集輸減阻提供了思路。國內高黏液體摻氣減阻研究表明，針對高黏原油管輸減阻方法之一是使管道內壁存在少量氣體［10-11］，此原理類似于水煤漿摻氣、圓管氣液分層流動減阻現象［12］。本文旨在探究在高黏原油輸送過程中摻氣減阻特性，若將近壁層與油流的摩擦轉變為近壁層與空氣之間的摩擦，則可大幅度降低輸送過程中的阻力，進而達到減阻的效果。采用高黏原油與氣體混輸，控制高黏原油與氣體的表觀流速，進而探究高黏原油管輸過程流動阻力的變化規律。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

選用與旅大高黏原油黏度相當的白油作為模擬高黏原油，研究了高黏原油摻氣混輸阻力特征，并對高黏原油摻氣兩相混輸流型變化規律進行了探討。采用SY-05石油密度計，溫度為20 ℃時模擬高黏原油的密度為0.879 5 g·cm-3。采用Rheolab QC 流變儀測量系統，在規定的測試溫度范圍（20 ℃～70 ℃）內，測試白油流變特性和黏溫特性，將其擬合為流變曲線和黏溫曲線，如圖1 所示。由圖1A 可得，在剪切應力與剪切速率構成的直角坐標系中，不同溫度下白油的流變曲線均經過坐標原點，且剪切速率和剪切應力的響應成正比，故其呈牛頓流體特性。由圖1B 可看出，在20 ℃～70 ℃，即整個實驗溫度段內，當溫度升高時，白油黏度逐漸下降，黏溫曲線斜率逐漸減小。而普通高黏原油黏溫特性表現為：在低溫段內黏溫曲線較陡，其黏度隨溫度升高而大幅降低；而在高溫段，黏溫曲線較為平緩，高黏原油黏度隨溫度變化幅度減弱。可知白油黏溫特性與普通高黏原油黏溫特性類似。本文以20 ℃時原油黏度為指標來選定白油作為模擬的高黏原油，研究在室溫下高黏原油摻氣從而達到降低管輸阻力的效益性。

圖1 白油流變曲線與黏溫曲線

隨著剪切速率的增大，白油的測試應力呈直線增加，采用牛頓流體方程擬合流變曲線方程，如表1 所示，其相關系數R均大于0.99，表明其在20 ℃～70 ℃范圍內屬于牛頓流體，即剪切速率和剪切應力的響應成正比。在20 ℃時，白油黏度高達2 089.4 mPa·s，隨著溫度的升高，黏度逐漸降低；50 ℃黏度降至236.6 mPa·s，當溫度升高至70 ℃時，黏度逐漸降至85.6 mPa·s，由于黏度較低，故此時高黏原油表現出較優的流動性。在整個實驗溫度段內，當處于低溫段時，白油的黏度隨溫度的升高出現了較大幅度的降低，當溫度逐漸升高至70 ℃，即處于較高溫度范圍時，黏度降低的幅度將逐漸減弱。高溫會破壞白油中由于大分子物質相互纏繞而形成的空間網狀結構，從而導致其黏度下降。在一定的高溫下，這種大分子物質形成的空間網狀結構將會被徹底破壞，因此，溫度改變對高黏原油黏度變化的作用將會被削弱。

表1 模擬高黏原油在不同溫度下的流變方程

1.2 實驗裝置及流程

高黏原油摻氣減阻實驗模擬裝置由壓縮空氣單元、白油緩沖罐、摻氣短節、數據采集系統等組成，而壓縮空氣供給單元主要由壓縮機、儲氣罐、壓力調節閥構成，如圖2 所示。實驗選定白油與空氣的表觀速度分別介于0.167～1.256 m/s 和0.008～0.075 m/s，白油可采用KCB-55 型高溫齒輪泵被注入試驗管段，白油流量由泵頻率控制器進行調節，使其達到相應的試驗值；氣體流量的調節通過空氣調節閥來實現。使用調節閥調節氣體壓力，然后打開通入高黏原油摻氣的閥門，把空氣摻入白油中，使高黏原油摻入空氣進行混合輸送，待管道輸送穩定后測量其各個參數，通過對各數據進行處理，進而得出流型與壓降的關系。高黏原油摻氣輸送實驗均在20 ℃進行，當不同流量的白油、空氣進入測試管段后，采用2F04M 型千眼狼高速攝影儀觀察高黏原油摻氣兩相流流型演化，對壓降、白油流量、氣體流量等主要流動參數進行實時采集。

圖2 高黏原油摻氣室內實驗裝置及工藝流程

1.3 實驗數據處理

引入減阻率DR，即高黏原油摻氣前后穩定流動時的壓降變化率，用來描述管流壓降隨摻氣量與白油流量的變化規律，研究其摻氣減阻效果，表達式為

其中，?p0為摻氣前的管道兩端壓降（Pa）；?p為摻氣后的管道兩端壓降（Pa）；L為測試管段長度（m）。

2 結果與討論

2.1 摻氣圓管環空分層減阻流動理論分析

高黏原油摻氣形成環狀流，高黏原油在圓管中心位置流動，空氣替代油流在管壁附近形成流動，如圖3所示。高黏原油和空氣界面之間的波動作用以及空氣膨脹作用忽略不計。

圖3 高黏原油摻氣環狀流

在穩定流動過程中，當流體流速限定時，流體沿管道產生層層流動，此時剪切面為同心圓柱面，剪切線為平行于管軸的直線。流體微元的運動跡線與剪切線重合。隨距管道軸中心的距離r的增加，流體微元運動的速度減小，因此，管流的剪切速率表示如式（2）所示，符號僅表示其方向。

由流變特性分析可知，高黏油樣在20 ℃～70 ℃區間呈牛頓流體，其本構方程為

其中，τ為剪切應力（Pa）；μ為管內流體的動力黏度（Pa·s）。

其中，在穩定流動的條件，根據流體流動過程所受力平衡原理［13］，可得剪切應力τ與壓差?p之間的關系為

其中，?p=p1-p2；p1為管道進口處壓力（Pa）；p2為管道出口處壓力（Pa）；L為管道長度（m）；R為管道內徑（m）。

依據上述的流動情況，結合圓管分層流動，可得出流速方程

其中，μg為氣體動力黏度（Pa·s）；μl為高黏原油動力黏度（Pa·s）；|PG|為高黏原油摻氣后壓力梯度（Pa/m），為氣液界面徑向位置（m）。

通過管道斷面的流體體積流量，可表示為

將速度方程代入式（9）積分可得

當管道高黏原油中未摻氣時，管內充滿高黏原油，即令R*→R時有

其中，|PG|0為摻氣前的管道壓力梯度。

將式（10）、（11）帶入式（1）可得

假設高黏原油黏度分別為100、500、1 000、5 000、10 000 mPa·s，空氣黏度為17.9×10-3mPa·s，在101.325 kPa、293.15 K 條件下，高黏原油摻氣減阻率DR隨Rr的變化關系如圖4所示。Rr是R*與管半徑R之比值，R*是氣液界面徑向位置，隨著Rr越大，高黏原油摻氣減阻率越大；此外，由圖4 還可發現，當Rr＜0.05 時，其液相原油黏度越大，相對減阻率越大，即減阻效果越好。

圖4 高黏原油摻氣環狀流DR隨Rr的變化趨勢

2.2 流型變化特征

采用高速相機拍攝了管內徑14 mm 水平管流型隨摻氣比變化特征，當白油（模擬稠油）流量一定時，隨摻入氣體的流速增加，管內流型變化依次為分散泡狀流、段塞流、彈狀流、分層流、環狀流，其中段塞流與彈狀流又以段塞-彈狀過渡流為界限，彈狀流與分層流以彈狀分層流為界限，其中分層流可分為光滑分層流、波狀分層流、滾波分層流，如圖5所示。

圖5 內徑14 mm水平管流型變化

由于在高黏度油流中，引發不穩定波所需臨界氣體表觀速度較低，發現從分層流到環狀流的過渡中直徑影響顯著；相比小直徑管，大口徑管中環狀流在較低氣體表觀速度下發生，而小直徑管內段塞流更易持續至較大氣體速度，究其原因是段塞衰減作用及往環狀流轉變。在小管徑中，氣液界面所形成的不穩定波更易于充滿管道，而且一旦塞體形成段塞流將會保持，直至含有高能量的氣體穿過塞體；在大管徑中，由于大管徑中有足夠的空間，要使這些不穩定波形成段塞流需要較高的氣體能量，而所形成的塞體也很難在高氣體表觀速度下維持；并發現稠油黏度增加將導致流型結構發生顯著變化，段塞流轉換為分層流所需的氣相速度明顯提高，分層流向環狀流的轉換所需的氣相表觀速度也將增大。

為探究不同工況條件下的高黏油摻氣輸送過程能夠實現摻氣減阻的流型，首先根據所采集流型變化數據繪制水平管內流型圖，流型變化有多個影響因素，但其主要因素是稠油和空氣的流量（或流速）和黏度，分別以模擬稠油表觀速度（uso）和空氣表觀速度（usg）為橫、縱坐標，根據圖中散點的分布分析不同油氣表觀速度下，流型的轉變趨勢以及管道管徑大小的變化對流型的影響，如圖6 所示。當空氣表觀速度近似為0.1 m/s 時，開始出現泡狀流，小管徑管道更會出現氣相速度突然增大的情況，因此段塞流的范圍更大。在一定的空氣流量下，當稠油表觀速度增大時，圓管內流型存在分層流，同時液位高度也會隨之增加，然而，分層流流型對小管徑管道的水平度有更高的要求，在14 mm 的管道中泡狀流直接向段塞流過渡。稠油表觀速度一定時，隨著空氣表觀速度的增大，出現彈狀流的可能性越小。

圖6 不同稠油-空氣表觀速度下流型變化（內徑14 mm）

2.3 壓降及減阻率變化規律

水平管內多相流流型的變化情況復雜，需要分析流型對壓降大小的影響，以此精準地計算其壓降大小。根據相關研究成果及實驗記過分析，向輸送高黏原油管道中摻入氣體，將近壁層與油流的摩擦轉變為近壁層與空氣之間的摩擦，則可大幅度降低輸送過程管道內的摩擦壓降，尤其是對于具有剪切稀釋性質的流體而言，效果明顯。管路壓降測量溫度在室溫下測定，氣體表觀速度變化時，其壓降大小變化趨勢，如圖7 所示。當高黏原油表觀速度較大時，管道中的壓降會隨著氣體的加入而降低，產生減阻特性，當氣相表觀流速增加時，兩相流動的壓降隨之降低，比單液相流動的壓降低。

圖7 壓力梯度隨氣體表觀速度變化趨勢圖

根據高黏原油摻氣減阻機理的分析以及對減阻率理論公式的應用，計算出不同油氣表觀速度下的減阻率，并繪制成圖，如圖8 所示，通過圖線分析改變油氣流量對減阻效果的影響。由圖可知，當uso＜0.419 m/s 時，摻入氣體有一定的減阻效果，但當氣體表觀速度超過0.04 m/s時，減阻率呈現負增長，表明沒有達到降黏減阻的效果；當uso＞0.419 m/s 時，隨著氣體表觀速度的增加，減阻率保持正增長趨勢，通過減阻率趨勢圖反映油氣表觀速度對降黏效果的影響。通過計算室溫下，不同高黏原油表觀黏度下的摻氣比，進而計算出各高黏原油表觀黏度下的減阻率，最終達到實驗確定最佳摻氣比的目的。由圖可得，當uso=0.837 m/s，usg=0.07 m/s 時，此時流型分布屬于彈狀流，減阻效果最好，減阻率可達14.84%，即為最佳摻氣比，即氣油比為11.59%。

圖8 減阻率隨氣體表觀速度的變化

3 結論

1）白油可作為模擬高黏原油，白油的黏度和表觀黏度隨著溫度的升高而大幅度降低，且黏度變化幅度隨溫度變化逐漸變緩。

2）通過對高黏原油摻氣減阻理論分析，一方面，當氣相流速增大時，隨著混合速度的增大，輸送高黏原油的有效黏度逐漸減小，黏度降低，使流動性得到改善，則必然會使得壓降減小；另一方面，氣相對液相的干擾程度隨其流速的增大而加劇，產生的附加壓力損失也隨著氣相流速的增大而增大，從而使兩相的壓降升高。當時，DR≥0，高黏原油摻氣方可減阻。

3）高黏原油摻氣裝置可用于高黏原油摻氣兩相混輸流型分析與阻力特性評價，隨摻入氣體的流速增加，管內流型依次可出現分散泡狀流、段塞流、彈狀流、分層流、環狀流；在管徑14 mm 實驗管道內，當uso=0.837 m/s，usg=0.07 m/s 時，減阻效果最好，減阻率可達14.84%，最佳摻氣比為11.59%。