孫　強(qiáng), 王　丹, 郭緒強(qiáng), 劉愛賢, 劉曉冬

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249; 2.中國(guó)船舶燃料有限責(zé)任公司，北京 100020;3.塔里木油田公司 塔西南勘探開發(fā)公司，新疆 喀什844804)

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直鏈烷烴動(dòng)力黏度與聲速關(guān)系研究

孫強(qiáng)1, 王丹2, 郭緒強(qiáng)1, 劉愛賢1, 劉曉冬3

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249; 2.中國(guó)船舶燃料有限責(zé)任公司，北京 100020;3.塔里木油田公司 塔西南勘探開發(fā)公司，新疆 喀什844804)

目前用于原油黏度預(yù)測(cè)的計(jì)算模型需要測(cè)定的物性數(shù)據(jù)較為復(fù)雜，計(jì)算精度和適用范圍有限。因此，實(shí)驗(yàn)中選取了幾種具有代表性的直鏈烷烴作為模擬原油中烴類組分的模型化合物，分別測(cè)定了在不同溫度、壓力條件下的黏度和聲速數(shù)據(jù)，考察了溫度、壓力對(duì)直鏈烷烴聲速的影響規(guī)律，并建立了相應(yīng)的黏度-聲速關(guān)聯(lián)模型。結(jié)果表明，直鏈烷烴的聲速隨溫度增加而減小，隨壓力增加而增加，且聲速與溫度、壓力均為線性關(guān)系。直鏈烷烴的黏度與聲速為指數(shù)型對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)冀東油田3種不同原油對(duì)黏度-聲速關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果表明適用性較好，從而為解決常規(guī)原油黏度計(jì)算對(duì)物性參數(shù)的高度依賴提供了一個(gè)可行的新方法。

原油；黏度；直鏈烷烴；聲速；模型預(yù)測(cè)

目前，世界范圍內(nèi)的石油資源短缺趨勢(shì)日益明顯，而且由于常規(guī)原油易于開發(fā)、采油成本低，一般都優(yōu)先開采，因此世界原油重質(zhì)化已成大趨勢(shì)。根據(jù)國(guó)外能源機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，目前全世界常規(guī)石油剩余可采量為1 400多億t[1-2]，因而必須加大對(duì)石油資源的勘探開發(fā)程度，并努力提高原油的利用效率。原油運(yùn)動(dòng)黏度是表征原油物理性質(zhì)的一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)，被廣泛應(yīng)用于原油勘探、生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)等工程的工藝設(shè)計(jì)和維護(hù)過(guò)程。地層原油的黏度直接影響其在地下的運(yùn)移和流動(dòng)。在油田開發(fā)過(guò)程中，原油的黏度決定其在地層中的滲流能力，而在輸送過(guò)程中，也影響它在管道中的流動(dòng)能力。因此，了解原油的黏度特點(diǎn)，對(duì)提高原油井的產(chǎn)能、采收率、原油的集輸以及對(duì)測(cè)井解釋等都具有重要意義[3-6]。

地層原油黏度在油田內(nèi)的分布受油氣運(yùn)移方向、構(gòu)造形態(tài)、存儲(chǔ)條件、重力、邊水、底水等諸多因素的影響，因而不同類型原油的黏度分布規(guī)律不同，其變化規(guī)律比較復(fù)雜，黏度難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)[7-8]，因此原油的高效開采及輸送問題越來(lái)越嚴(yán)峻。隨著稠油、超稠油開采量的增加，原油黏度準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的重要性日益突出。近幾十年來(lái)，大量的研究者對(duì)原油及其組分的黏度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，提出了多種計(jì)算模型，取得了許多的研究成果[9-14]。目前石油工程中對(duì)于油氣藏流體黏度計(jì)算主要采用的是經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，適用條件限制和油氣藏流體組成的復(fù)雜性是導(dǎo)致經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式誤差較大的主要原因[15]。

原油測(cè)井過(guò)程中廣泛采用地震波方式進(jìn)行[16]，在獲得相關(guān)地質(zhì)參數(shù)的同時(shí)，由于不同原油組成、所處狀態(tài)的差異，聲速也各不相同，因此聲速與原油之間存在著一定的計(jì)算關(guān)系。若能通過(guò)已有的地震波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)建立地層條件下原油黏度的經(jīng)驗(yàn)性關(guān)聯(lián)方程，就能為油田開發(fā)提供較為準(zhǔn)確的地層原油黏度數(shù)據(jù)。張永發(fā)等[17]研究了超聲波在原油中的吸收衰減，得出了黏度-溫度、聲衰減系數(shù)-聲波頻率、聲速-溫度及聲速方次-溫度關(guān)系。張劍英[18]編譯了利用聲速監(jiān)測(cè)管輸原油黏度、密度和含水量的實(shí)驗(yàn)研究，文中指出當(dāng)原油含水量較少時(shí)聲速與含水量存在線性關(guān)系，聲速與原油密度呈線性變化關(guān)系，聲速與黏度之間存在倒數(shù)關(guān)系。文中雖然給出了6批不同原油的聲速-黏度計(jì)算關(guān)系，但每一種原油均有其特定的相適應(yīng)的黏度計(jì)算參數(shù)，因而其計(jì)算關(guān)系不具有普遍適用性?；谝陨戏治觯疚膶y(cè)定原油中的重要烴類組分直鏈烷烴及其混合物的黏度及聲速，分析二者之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，建立直鏈烷烴黏度與聲速的關(guān)聯(lián)模型，以期得到能夠適用于不同原油的普遍化的關(guān)系式。最后，通過(guò)測(cè)定油田實(shí)際油樣的黏度-聲速數(shù)據(jù)，對(duì)所建立的模型進(jìn)行檢驗(yàn)。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)原料及裝置

實(shí)驗(yàn)中用到的原料及相關(guān)物性如表1所示。圖1所示為在高壓條件下測(cè)定烷烴聲速與黏度的裝置示意圖，主要由聲速測(cè)量系統(tǒng)、高溫高壓釜、落球式黏度計(jì)、轉(zhuǎn)樣釜和高壓泵組成。聲速測(cè)量系統(tǒng)主要包含4部分：換能器、超聲波訊號(hào)發(fā)射接收儀、示波器和數(shù)據(jù)采集分析軟件。換能器(型號(hào)5052 UA)由中科院聲學(xué)所制作，最大工作溫度、壓力分別為393.15 K、60 MPa，外殼直徑為25 mm，長(zhǎng)度為36 mm，其發(fā)射主頻為1 MHz，方波脈沖由美國(guó)泛美5077PR數(shù)字脈沖發(fā)生接收儀分析。示波器為Tektronix Technology公司雙通道數(shù)字示波器(型號(hào)TBS1012B-SC)，100 MHz帶寬。高壓釜為不銹鋼材質(zhì)，直徑為42 mm，高為150 mm，設(shè)計(jì)壓力為40 MPa。放入超聲波發(fā)生及接收換能器以及相應(yīng)的固定支架后，高壓釜剩余容積為176 mL。高壓釜上設(shè)有進(jìn)料口、出料口及溫度傳感器安裝口。釜頂有4個(gè)絕緣導(dǎo)線端口，為連接聲速測(cè)量?jī)x器的導(dǎo)線。實(shí)驗(yàn)裝置放置在恒溫干燥箱中維持溫度恒定。在常壓時(shí)，仍用圖1裝置測(cè)定烴類流體的聲速，黏度則由毛細(xì)黏度計(jì)測(cè)量，如圖2所示。

表1　實(shí)驗(yàn)原料及物性

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2　毛細(xì)黏度計(jì)

1.2實(shí)驗(yàn)原理與步驟

1.2.1超聲波聲速測(cè)定步驟

(1) 將兩換能器固定在直桿上，保持距離恒定。換能器分別連接到信號(hào)發(fā)射器的信號(hào)端和示波器，示波器與計(jì)算機(jī)相連。

(2) 用純水標(biāo)定：將300 mL的純水倒入量筒中，放入換能器。在水浴293.15 K下恒溫20 min。通過(guò)聲速采集分析程序得到發(fā)射波到第一個(gè)接收波經(jīng)歷的時(shí)間t，查得純水在293.15 K下的聲速v，將兩者相乘可得到換能器之間的距離d0。

(3) 在量筒中放入300 mL的待測(cè)烷烴，放入換能器。整個(gè)量筒浸在水浴中，在實(shí)驗(yàn)溫度下恒溫20 min后，打開脈沖信號(hào)發(fā)射器和示波器，用聲速分析程序測(cè)定其聲速并記錄。

1.2.2高壓黏度測(cè)定高壓下的烷烴黏度和聲速可同步測(cè)量。黏度采用落球式黏度計(jì)測(cè)定[19]，其工作原理基于Stokes定律。由于黏度計(jì)中小球下落的距離為定值且下落過(guò)程為層流運(yùn)動(dòng)，因此，通過(guò)測(cè)定小球從內(nèi)管上端降落至底端所需的時(shí)間，即可由Stokes定律計(jì)算出烷烴的黏度，計(jì)算公式如式(1)：

(1)

式中：ρB、ρF分別為小球及待測(cè)烷烴的密度，t為時(shí)間，k為與儀器結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)?？梢钥闯觯?dāng)烷烴與小球的密度差為一定值時(shí)，烷烴黏度與小球下落時(shí)間成正比。式中k值需用已知黏度的流體進(jìn)行標(biāo)定得到。本實(shí)驗(yàn)采用中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院提供的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)硅油對(duì)黏度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。

1.2.3常壓黏度測(cè)定常壓下的流體黏度采用毛細(xì)管黏度計(jì)進(jìn)行測(cè)定[20]，以Poiseuille定律為基礎(chǔ)。在恒定的溫度下，測(cè)定一定體積的液體在重力作用下流過(guò)一個(gè)經(jīng)標(biāo)定的玻璃毛細(xì)管黏度計(jì)的時(shí)間，黏度計(jì)的毛細(xì)管常數(shù)與流動(dòng)時(shí)間的乘積，即為該溫度下被測(cè)液體的運(yùn)動(dòng)黏度。

2　結(jié)果與分析

2.1溫度、壓力對(duì)聲速的影響

分別測(cè)定了298.15～323.15 K、0.1～20.1 MPa下不同直鏈烷烴及其混合烴溶液(共9種)的聲速，同時(shí)考察了溫度、壓力對(duì)直鏈烷烴聲速的影響。實(shí)驗(yàn)中二元混合烴溶液的組分物質(zhì)的量比為1∶1，三元混合烴溶液的組分物質(zhì)的量比為1∶1∶1。圖3為常壓下不同溫度時(shí)各烷烴溶液的聲速值。圖4為313.15 K、不同壓力時(shí)各烴溶液的聲速值。

圖3　常壓下不同溫度時(shí)各烴類溶液的聲速

圖4　313.15 K不同壓力時(shí)各烴類溶液的聲速

由圖3、4可以看出，不同直鏈烷烴溶液的聲速與溫度、壓力均呈線性關(guān)系。聲速隨溫度的增加而降低，隨壓力的增加而增加，其原因是溫度升高導(dǎo)致烴的體積膨脹，可壓縮系數(shù)增大，而壓力升高導(dǎo)致烴類體積收縮和可壓縮系數(shù)減小。當(dāng)溫度、壓力一定時(shí)，直鏈烷烴的聲速隨著碳原子數(shù)的增加而增加。然而，不同直鏈烷烴混合時(shí)，其聲速并不是各種烴聲速的簡(jiǎn)單加和，這主要是由于不同烴的結(jié)構(gòu)差異較大。由圖4還可以得出，當(dāng)溫度一定時(shí)，不同直鏈烷烴(包括其混合溶液)的聲速-壓力關(guān)系曲線的斜率是相同的，截距則隨烷烴C原子數(shù)不同而不同, 其聲速-壓力關(guān)系可由式(2)描述。

(2)

式中：S為特定溫度下的聲速，p為壓力。這為預(yù)測(cè)直鏈烷烴的聲速提供了一個(gè)較為快速、準(zhǔn)確的方法。

2.2動(dòng)力黏度與聲速的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)測(cè)定了303.15～323.15 K、0.1～20.1 MPa下不同直鏈烷烴及其混合烴溶液的黏度。圖5為2.1、20.1 MPa時(shí)不同溫度下各烷烴的動(dòng)力黏度-聲速關(guān)系曲線。

圖5　不同溫度時(shí)各烴類溶液的黏度-聲速關(guān)系

由圖5可知，當(dāng)溫度、壓力一定時(shí)，不同直鏈烷烴溶液的動(dòng)力黏度與聲速呈指數(shù)型關(guān)系，可近似用方程式(3)描述：

(3)

式中：μ、S分別表示特定溫度、壓力下烷烴的動(dòng)力黏度和聲速，a、b、c分別為對(duì)應(yīng)的系數(shù)。例如，對(duì)常壓、323.15 K條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合求得對(duì)應(yīng)的系數(shù)a、b、c值，如表2所示。

表2　常壓323.15 K時(shí)式(3)中參數(shù)a、b、c的值

用表2中數(shù)據(jù)對(duì)冀東油田3種原油在常壓、323.15 K時(shí)的黏度-聲速進(jìn)行計(jì)算和檢驗(yàn)，結(jié)果列于表3中。由表3可以看出，數(shù)據(jù)適用性較好，計(jì)算值與實(shí)際值的平均誤差約為20%。誤差產(chǎn)生的主要原因在于所用模型化合物(直鏈烴類)的黏度較低，與實(shí)際原油的黏度差別較大，導(dǎo)致計(jì)算的外推誤差增大。因此，今后應(yīng)選取其他高黏度的烴類，例如環(huán)烷烴和芳香烴等作為模型化合物，進(jìn)一步優(yōu)化原油的黏度-聲速關(guān)聯(lián)模型，從而提高預(yù)測(cè)精度。

表3　直鏈烷烴黏度-聲速模型對(duì)實(shí)際原油適用性檢驗(yàn)結(jié)果

3　結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了9種直鏈烷烴及其混合溶液在不同溫度、壓力下的黏度和聲速數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聲速與溫度、壓力均呈線性關(guān)系。聲速隨溫度增加而減小，隨壓力增加而增加。在特定溫度、壓力下，不同直鏈烷烴的黏度與聲速之間為指數(shù)型關(guān)系，從而初步建立了黏度與聲速的關(guān)聯(lián)方程，并對(duì)冀東油田3種不同原油在常壓下的黏度-聲速進(jìn)行了適用性檢測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果較為滿意，與實(shí)驗(yàn)值的平均誤差約為20%，從而在一定程度上克服了常規(guī)黏度模型計(jì)算過(guò)程中復(fù)雜物性數(shù)據(jù)測(cè)定帶來(lái)的各種弊端。由于實(shí)驗(yàn)中所用模型化合物直鏈烴類的黏度較低，與實(shí)際原油黏度差別較大，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生偏差?？梢酝茢啵ㄟ^(guò)對(duì)高黏度烴類的黏度-聲速數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定和關(guān)聯(lián)可提高原油黏度-聲速模型的計(jì)算精度。

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(編輯閆玉玲)

The Relationship between Viscosity and Sound Velocity of Straight-Chain Alkanes

Sun Qiang1, Wang Dan2, Guo Xuqiang1, Liu Aixian1, Liu Xiaodong3

(1.StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2.ChinaMarineBunker(PetroChina)Co.,Ltd.,Beijing100020,China;3.TowerSouthwestExplorationandDevelopmentBranch,TarimOilfieldCo.,Ltd.,KashiXinjiang844804,China)

The calculation models for crude oil viscosityare complex because of the determination of physical data,the limited calculation accuracy and application scope. Consequently, some representative straight-chain alkanes were taken as model compounds of crude oil, and their viscosity and sound velocity were measured under different temperatures and pressures in this work. The influences of temperature and pressure on the sound velocity of straight-chain alkanes were investigated, and the correlation model between viscosity and sound velocity was built on the base of experimental results. The experimental results indicated that the sound velocity of straight-chain alkaneslinearly decreased with the increase of temperature and the decrease of pressure. The relationship between viscosity and sound velocity of alkanes was exponential type, and the viscosity-sound velocity correlation model was applied to three different oils in Jidong Oilfield. The calculation results demonstrated a satisfactory applicability of the model. So, a feasible method was provided to reduce the dependence of conventional viscosity models on the physical property parameters.

Crude oil; Viscosity; Straight-chain alkanes; Sound velocity; Model

1006-396X(2016)01-0001-05

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

2015-10-21

2015-11-30

國(guó)家科技部973計(jì)劃項(xiàng)目(2012CB215005)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21306226);中國(guó)石油大學(xué)(北京)科研基金資助(YJRC-2013-09)。

孫強(qiáng)(1981-)，男，博士，講師，從事水合物及流體相平衡方向研究；E-mail:sunq@cup.edu.cn。

郭緒強(qiáng)(1963-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事石油天然氣加工、氣體水合物等方面的研究；E-mail：guoxq@cup.edu.cn。

TE622

Adoi:10.3969/j.issn.1006-396X.2016.01.001