董 燕 丁慎圓 王梓棟 呂宇玲 李長(zhǎng)亮

1大慶油田工程有限公司2中國(guó)石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司3中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)建學(xué)院4大慶油田天然氣分公司

油田特高含水油水混合物低溫流動(dòng)特性的室內(nèi)研究

董 燕1 丁慎圓2 王梓棟1 呂宇玲3 李長(zhǎng)亮4

1大慶油田工程有限公司2中國(guó)石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司3中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)建學(xué)院4大慶油田天然氣分公司

采用室內(nèi)環(huán)道實(shí)驗(yàn)的方法研究了水平管中特高含水油水混合物在原油凝點(diǎn)及其以下溫度的流型、壓降梯度、混合黏度和溫度、含油率、流速等參數(shù)的關(guān)系。研究結(jié)果表明：凝點(diǎn)以下油水混合物的流型均為水漂油塊流型，凝點(diǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)水包油包油團(tuán)流型，在溫度較低時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的管壁黏油現(xiàn)象；油水混合物的壓降梯度隨溫度的升高略有減小，幅度很小，隨含油率的升高逐漸增大，幅度較小；油水混合物的混合黏度隨流速的增大逐漸減小，表現(xiàn)出明顯的剪切稀釋性，隨含油率的升高逐漸增大。油水混合物的壓降梯度和混合黏度均隨聚合物濃度的升高大致呈先減小后增大的規(guī)律。

油水混合物；高含水；低溫；流型；壓降梯度；混合黏度；實(shí)驗(yàn)

隨著東部油田的開采進(jìn)入中后期，我國(guó)多數(shù)油井采出液含水量達(dá)到90%甚至更高，進(jìn)入三次采油階段，油田生產(chǎn)進(jìn)入特高含水開發(fā)期后，與開發(fā)前期相比，油井采出液的性質(zhì)發(fā)生了很大變化[1-2]。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)油水兩相流的流動(dòng)特性已進(jìn)行過許多研究[3-4]，但是針對(duì)特高含水體系低溫流動(dòng)規(guī)律的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究較少，特別是溫度低于原油凝點(diǎn)的研究，此狀態(tài)下原油為膠凝態(tài)，難以用常規(guī)方法進(jìn)行混合[5]。針對(duì)這一研究難點(diǎn)，自行設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)原油凝點(diǎn)以下溫度時(shí)油水兩相合理混合的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在油田采出液含水率上升、原油產(chǎn)量下降、能耗逐年呈上升勢(shì)頭的背景下，更加準(zhǔn)確地掌握特高含水油水混合物的低溫流動(dòng)特性，對(duì)地面集輸管路壓降的計(jì)算、運(yùn)行溫度的合理確定以及油田地面已建設(shè)施的高效利用有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文采用一種大慶原油及油田現(xiàn)場(chǎng)水進(jìn)行了室內(nèi)特高含水油水混合物在原油凝點(diǎn)及其以下溫度流動(dòng)規(guī)律的研究。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及主要設(shè)備

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由雙螺桿泵、質(zhì)量流量計(jì)、油水混合器、實(shí)驗(yàn)管路、觀察窗、儲(chǔ)罐等組成，環(huán)道流程如圖1所示。實(shí)驗(yàn)管路為內(nèi)徑25.4mm、長(zhǎng)30.8m的不銹鋼套管，夾層可以通過水浴控溫。油罐、水罐及實(shí)驗(yàn)管路分別采用3套不同的溫控系統(tǒng)控制其溫度。實(shí)驗(yàn)管路分為換熱段與測(cè)試段，在換熱段油相、水相充分交換熱量達(dá)到目標(biāo)溫度，在測(cè)試段測(cè)試相應(yīng)的壓降數(shù)據(jù)。管路沿線布置了P1～P4四個(gè)Keller壓力傳感器和T1～T4四個(gè)溫度傳感器。實(shí)驗(yàn)過程中油相、水相分別通過質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量，經(jīng)油水混合器混合后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)管路，然后通過換熱段和測(cè)試段后進(jìn)入分離罐。實(shí)驗(yàn)流速為0.4～1.4m/s，溫度為22、25、28和32℃（原油凝點(diǎn)），含油率為5%～20%。

圖1 實(shí)驗(yàn)環(huán)道流程

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 流型圖

在原油凝點(diǎn)以下，各個(gè)含油率和混合流速下的特高含水油水兩相混合物均為水漂油塊流型，如圖2（a）所示。這是因?yàn)樵谀c(diǎn)以下原油為膠凝態(tài)，容易形成大塊的凝團(tuán)。

實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，在原油凝點(diǎn)以下運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)管壁粘油的現(xiàn)象，如圖2（b）所示，這在實(shí)際生產(chǎn)過程中也是不可避免的一種狀況。管壁粘油導(dǎo)致了管路內(nèi)徑的減小，使得沿程摩阻變大，增大了能量的消耗，應(yīng)當(dāng)盡量避免。溫度越低、流速越低、含油率越高，越容易出現(xiàn)管壁粘油的現(xiàn)象。22℃混合流速為0.4m/s時(shí)均出現(xiàn)了明顯的管壁粘油現(xiàn)象，且隨著含油率的升高管壁粘油現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。混合流速為0.6m/s時(shí)，含油率20%時(shí)出現(xiàn)了明顯的管壁粘油現(xiàn)象；25℃混合流速為0.4m/s時(shí)，當(dāng)含油率達(dá)到20%時(shí)才有明顯的管壁粘油現(xiàn)象出現(xiàn)，混合流速為0.6m/s時(shí)則沒有出現(xiàn)明顯的管壁粘油現(xiàn)象；28℃混合流速為0.4m/s時(shí)各個(gè)含油率下均沒有出現(xiàn)明顯的管壁粘油現(xiàn)象。

在原油凝點(diǎn)溫度時(shí)，混合流速為0.4、0.6、0.8和1.0m/s時(shí)油水兩相混合物的流型為水漂油塊；流速為1.2和1.4m/s時(shí)，油水兩相混合物的流型為水包油包油團(tuán)，如圖2（c）所示。

圖2 流型圖

因管壁粘油現(xiàn)象導(dǎo)致管路內(nèi)徑的減小，出口段為PPR材質(zhì)更容易粘油，積聚了較多的原油，管路內(nèi)徑更小，實(shí)驗(yàn)過程中在小流量下觀察到了不滿流現(xiàn)象，如圖2（d）所示。

2.2 壓降梯度隨流動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律

圖3是含油率5%時(shí)，油水混合物的壓降梯度隨溫度的變化規(guī)律。從圖3可以看出，壓降梯度隨溫度的升高整體上略有減小的趨勢(shì)，變化幅度很小，某些工況下壓降梯度隨溫度的升高會(huì)出現(xiàn)上下波動(dòng)現(xiàn)象。這是因?yàn)橛退旌衔锏膲航堤荻戎饕赏庀鄾Q定，在水漂油塊流型下外相水相的黏度隨溫度變化較小，導(dǎo)致油水混合物的壓降梯度隨溫度的升高而略有減小，壓降梯度隨溫度升高出現(xiàn)的波動(dòng)現(xiàn)象是由于管壁粘油現(xiàn)象導(dǎo)致的。

圖3 壓降梯度隨溫度的變化

圖4 是不同溫度和流速下油水混合物的壓降梯度隨含油率的變化規(guī)律。從圖4可以看出，各個(gè)工況下油水混合物的壓降梯度隨含油率的升高都略有增大，但增大幅度很小。這說明在原油凝點(diǎn)以下，高含水油水混合物的壓降梯度十分接近相同流速下水相的壓降梯度。

圖4 壓降梯度隨含油率的變化

圖5 混合黏度隨混合流速的變化

2.3 混合黏度隨流動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律

圖5是含油率10%時(shí)，各個(gè)溫度下油水混合物的混合黏度隨流速的變化關(guān)系。從圖5可以看出，隨流速的增大混合黏度逐漸減小，表現(xiàn)出明顯的剪切稀釋性。

圖6是混合流速1.0m/s時(shí)，混合黏度隨含油率的變化規(guī)律。從圖6可以看出，各工況下隨含油率的升高混合黏度均逐漸增大。這是因?yàn)楹吐实纳呤沟糜退旌衔锏南嚅g摩擦增大，導(dǎo)致了混合黏度隨含油率的升高而逐漸增大。

圖6 混合黏度隨含油率的變化

圖7 是混合流速1.2m/s時(shí)，不同含油率下混合黏度隨溫度的變化規(guī)律。從圖7可以看出，隨溫度的升高混合黏度整體上呈逐漸減小的趨勢(shì)，但波動(dòng)較大，這主要是由于管壁粘油導(dǎo)致油水混合物的壓降梯度隨溫度升高波動(dòng)造成的。

圖7 混合黏度隨溫度的變化

2.4 聚合物對(duì)油水混合物流動(dòng)特性的影響

進(jìn)入三次采油階段后聚合物驅(qū)油技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，這導(dǎo)致集輸管路中含有大量的聚合物[5]，為此本文還研究了聚合物濃度對(duì)油水混合物流動(dòng)特性的影響。

圖8是含油率10%、22℃時(shí)不同流速條件下油水混合物的壓降梯度隨聚合物濃度的變化規(guī)律。從圖8中可以看出，除0.4m/s外其他流速條件下油水混合物的壓降梯度隨聚合物濃度的升高均呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律。在200～400mg/L聚合物濃度之間有最小壓降值。

圖8 壓降梯度隨聚合物濃度的變化

從含油率5%、流速1.0m/s時(shí)油水混合物的混合黏度隨聚合物濃度的變化規(guī)律可以看出，各個(gè)工況下油水混合物的混合黏度均隨聚合物濃度的升高先減小后增大，同聚合物濃度為0時(shí)的數(shù)據(jù)相比較，流速越低混合黏度隨聚合物濃度升高而回升的幅度越大。

3 結(jié)論

采用室內(nèi)環(huán)道實(shí)驗(yàn)研究了特高含水油水混合物在原油凝點(diǎn)以下的流型、壓降梯度、混合黏度隨流動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，凝點(diǎn)以下油水混合物的流型均為水漂油塊流型，凝點(diǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)水包油包油團(tuán)流型，在溫度較低時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的管壁粘油現(xiàn)象；油水混合物的壓降梯度隨溫度的升高略有減小，幅度很小，隨含油率的升高逐漸增大，幅度較??；油水混合物的混合黏度隨流速的增大逐漸減小，表現(xiàn)出明顯的剪切稀釋性，隨含油率的升高逐漸增大。油水混合物的壓降梯度和混合黏度均隨聚合物濃度的升高大致呈先減小后增大的規(guī)律。

[1]喬晶鵬，梁志武，樊文杰，等．特高含水期油井常溫輸送新途徑[J]．石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2003，14（2）：28-30.

[2]馬立國(guó)，胡國(guó)元，米宏云，等．油田高含水期常溫集輸技術(shù)[J]．內(nèi)蒙古石油化工，2004，1（30）：119-121.

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[4]TralleroJL．Oil-waterflowpatternsinhorizontalpipes[D]．UniversityofTulsa，1995：4-5.

[5]曲險(xiǎn)峰，單志媛，宗華，等．聚合物對(duì)原油乳狀液穩(wěn)定性的影響[J]．應(yīng)用化工，2012，41（7）：1176-1178．

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.6.009

基金論文：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51106182）資助。