陳小榆，陳思佳，張 杰，陳韻嫻，劉禮豪

西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500

引 言

目前，國(guó)內(nèi)油田多數(shù)處于開發(fā)的中后期，其中以大慶油田為代表，其產(chǎn)出液含水率已達(dá)到80%以上[1]，惠州油田所產(chǎn)原油含水率更高達(dá)90%左右。由于高含水的原油流變性不同于低含水原油，因而，直接使用不含水或低含水原油的黏度計(jì)算公式將在原油開采、集輸過程中對(duì)壓降的計(jì)算產(chǎn)生較大的誤差。由于含水原油的表觀黏度不僅與原油溫度有關(guān)，還與原油的含水率有關(guān)。而國(guó)內(nèi)對(duì)含水原油的研究大多是通過控制單一變量（如含水率、溫度）研究含水原油在不同含水率下表觀黏度與溫度、或在不同溫度下表觀黏度與含水率的關(guān)系，并運(yùn)用數(shù)據(jù)處理軟件擬合出不同含水率下油樣的黏度公式或不同溫度下油樣的反相點(diǎn)[1-2]，但卻很少有人利用非線性擬合的方法得出含水原油表觀黏度與溫度和含水率之間的綜合關(guān)系式。盡管張宇睿等[3]擬合了黏度與含水率、溫度和剪切速率的綜合關(guān)系

式中：

μ—表觀黏度，Pa·s；

φ—含水率，無因次；

γ—剪切速率，1/s；

t—溫度，°C；

a，b，c，d，e，f，j，k待定系數(shù)。

但該關(guān)系式過于復(fù)雜，且要分段擬合，在不同溫度下油樣的反相點(diǎn)不一樣時(shí)更復(fù)雜，該綜合關(guān)系式僅僅是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，沒有從本質(zhì)上反映出溫度、含水率對(duì)表觀黏度的影響。李恩田等[4]也進(jìn)行了類似的表觀黏度試驗(yàn)與研究，得出的黏度表達(dá)式仍然需要分段討論。

另一方面，由于石油工業(yè)始終存在的需求，對(duì)原油流變性質(zhì)的研究一直是熱點(diǎn)，并且已經(jīng)從對(duì)宏觀性質(zhì)的測(cè)量逐步發(fā)展為對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的研究[5]，如Banerjee等通過研究表面活性劑對(duì)輕質(zhì)原油流變性的影響發(fā)現(xiàn)，表面活性劑可以使得蠟晶體尺寸和結(jié)構(gòu)顯著改變，并最終導(dǎo)致黏度的降低[6]。Gachuz-Muro等通過實(shí)驗(yàn)方法研究了不同溫度下不同組分的鹵水對(duì)原油黏度的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原油組分和鹵水組分之間存在顯著的相互作用，在原油黏度較高時(shí)鹵水的影響較大，原油黏度較低時(shí)鹵水的影響則不太顯著，但是具體作用機(jī)制尚不清楚[7]。Bryan等使用低場(chǎng)核磁共振開展了原油黏度和原油乳化預(yù)測(cè)研究，結(jié)果表明可以較為精確地預(yù)測(cè)黏度在 1～3 000 000 mPa·s，溫度在25°C到80°C特定原油的黏溫關(guān)系[8]。Li等基于懸浮液流變學(xué)提出了一種黏度預(yù)測(cè)模型，并采用了從5～2 900 mPa·s共3 458個(gè)黏度數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)33個(gè)初凝原油和14個(gè)具有不同熱剪切歷史的PPD富集原油進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，該模型對(duì)原油黏度的預(yù)測(cè)絕對(duì)平均偏差為7.43%[9]。除了傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，近年來也有一些將人工智能技術(shù)應(yīng)用到黏度預(yù)測(cè)上的嘗試，例如陳坤明等采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬了混合油配比和溫度與黏度之間的映射關(guān)系，建立了混合油黏度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，該模型應(yīng)用于魯-寧管道混合油黏度時(shí)最大相對(duì)誤差為0.25%，平均相對(duì)誤差為0.034%[10]。Hajizadeh等將遺傳算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊邏輯應(yīng)用于黏度預(yù)測(cè)，對(duì)于測(cè)試數(shù)據(jù)，R2接近1，但這種方法的準(zhǔn)確性依賴于大量的數(shù)據(jù)對(duì)模型的訓(xùn)練[11-12]。Bahadori等對(duì)比了基于經(jīng)典回歸方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的黏度預(yù)測(cè)模型后發(fā)現(xiàn)后者精確度更高，并提出了一種基于一般回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的黏度預(yù)測(cè)模型[13]。相比依賴于大量數(shù)據(jù)的人工智能技術(shù)，Elsharkwy等提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的黏溫關(guān)系，可以快速估算API在8.7到14.5，溫度在40～177°C的重油黏度[14]。

本實(shí)驗(yàn)研究以惠州油田原油為例，研究原油在不同含水率、不同溫度下其切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系，繪制流變曲線，進(jìn)一步確定不同含水率、不同溫度下油樣的表觀黏度，通過數(shù)據(jù)處理，擬合出不同含水率下油樣的黏度公式和不同溫度下油樣的表觀黏度與含水率的公式，結(jié)合量綱分析，給出表觀黏度與溫度、含水率的綜合關(guān)系式。再通過MATLAB軟件擬合綜合關(guān)系式中的系數(shù)，繪制表觀黏度與溫度、含水率的三維曲面圖，分析數(shù)據(jù)擬合的精度。最終說明給定的原油表觀黏度與溫度和含水率之間的綜合關(guān)系式的合理性。該綜合關(guān)系式對(duì)含水原油管道集輸過程中壓降的計(jì)算非常重要，對(duì)含水原油的安全集輸意義重大，因此，非常有必要開展含水原油流變性的研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)是在西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，主要儀器為MCR302型高溫高壓流變儀（圖1）、水浴及高速攪拌器。

1.2 油樣配制

收集惠州油田的油樣和水樣，先將油樣脫水，再分別配制含水率為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%及90%的油樣，實(shí)驗(yàn)前，先將油樣在水浴中預(yù)熱至50°C，然后用高速攪拌器攪拌，直到油水混合均勻?yàn)橹埂?/p>

1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

將配制好的油樣分別倒入MCR302型高溫高壓流變儀的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，剪切速率取30s-1，其在不同含水率、不同溫度下的黏度如表1所示。

圖1 MCR302型高溫高壓流變儀Fig.1 MCR 302 high-temperature and high-pressure rheometer

表1 不同含水率、不同溫度下油樣的黏度Tab.1 Viscosities under different water contents and temperatures

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 不同含水率下表觀黏度與溫度的關(guān)系

對(duì)表1中的數(shù)據(jù)處理后可得不同含水率下表觀黏度與溫度的關(guān)系，如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 含水率分別為10%，40%及70%時(shí)表觀黏度與溫度的關(guān)系Fig.2 Relationships between apparent viscosity and temperature while water contents are 10%,40%,and 70%respectively

圖3 含水率分別為20%，50%及80%時(shí)表觀黏度與溫度的關(guān)系Fig.3 Relationships between apparent viscosity and temperature while water contents are 20%,50%,and 80%respectively

圖4 含水率分別為30%，60%及90%時(shí)表觀黏度與溫度的關(guān)系Fig.4 relationships between apparent viscosity and temperature while water contents are 30%,60%,and 90%respectively

從圖2～圖4可以看出，惠州油田原油表觀黏度隨溫度升高而降低，隨著溫度的升高，原油表觀黏度下降的幅度越來越小，這是因?yàn)樵偷臒崮苻D(zhuǎn)化為分子的動(dòng)能，分子之間的距離加大，導(dǎo)致分子間相互作用力減弱，進(jìn)而導(dǎo)致原油表觀黏度降低。表觀黏度與溫度均成指數(shù)規(guī)律分布，且擬合程度很高，根據(jù)Kumar等人的研究[15]，表觀黏度與溫度的一般關(guān)系式可寫為

式中：c1，c2—待定系數(shù)。

2.2 不同溫度下表觀黏度與含水率的關(guān)系

對(duì)表1中的數(shù)據(jù)處理后可得不同溫度下表觀黏度與含水率的關(guān)系，如圖5、圖6所示。

圖5 不同溫度下表觀黏度與含水率的關(guān)系（39，50，60 及 80 °C）Fig.5 Relationships between apparent viscosity and water content under different temperatures

圖6 不同溫度下表觀黏度與含水率的關(guān)系（45，55，70 及 90 °C）Fig.6 Relationships between apparent viscosity and water content under different temperatures

從圖5、圖6可以明顯看出，原油表觀黏度發(fā)生反轉(zhuǎn)的反相點(diǎn)，在反相點(diǎn)之前原油表觀黏度隨著含水率升高而增加，反相點(diǎn)之后則隨著原油含水率升高而減小，這是因?yàn)楫?dāng)含水較低時(shí)油和水一成以油為外相、水為內(nèi)相的油包水混合液，此時(shí)混合液的物性以油的性質(zhì)為主，當(dāng)含水率增加到一定值時(shí)，水與油的作用彼此相當(dāng)，油水充分作用使得兩相界面的作用力增強(qiáng)，又由于兩相物性的差異使含水原油流動(dòng)時(shí)所受的剪切力迅速增大，黏度也相應(yīng)地迅速增加;隨著含水率的進(jìn)一步增加，混合液中出現(xiàn)游離水，此時(shí)油為內(nèi)相，水為外相，所以原油黏度又有較大的下落。表觀黏度與含水率均成三次多項(xiàng)式規(guī)律分布，除含水率為90%的一條曲線外擬合程度也很高，因此表觀黏度與含水率的關(guān)系式可寫為

式中：c3，c4，c5，c6—待定系數(shù)。

2.3 表觀黏度與溫度、含水率的綜合關(guān)系式

由于表觀黏度不僅與溫度有關(guān)，還與含水率有關(guān)，因此其綜合關(guān)系式可以寫成式（1）和式（2）乘積的形式，考慮到量綱的和諧性，其最終函數(shù)關(guān)系式可寫成

2.4 數(shù)據(jù)擬合

根據(jù)表1給出的數(shù)據(jù)，在三維空間做出其散點(diǎn)圖，對(duì)公式（3）進(jìn)行擬合，其擬合后的待定系數(shù)分別為c1=11.52，c2=0.05，c3=7.89×10-5，c4=-0.038 84，c5=2，c6=85.34，R2=0.9851

其擬合后的三維曲面如圖7所示。

圖7 表觀黏度與溫度、含水率的三維曲面圖Fig.7 Fitting surface of apparent viscosity,temperature and water content

2.5 擬合精度分析

通過觀察表觀黏度與溫度、含水率的三維曲面圖，絕大多數(shù)點(diǎn)都落在了曲面上，通過比較測(cè)量值與擬合值，其相對(duì)誤差最大的18組數(shù)據(jù)見表2。

從表2可看出，其相對(duì)誤差超過10%的數(shù)據(jù)只有4個(gè)，平均相對(duì)誤差只有5.2%，且相對(duì)誤差最大的點(diǎn)集中在高含水和高溫處，這可能是高含水原油油水混合不均勻引起的測(cè)量誤差。

表2 表觀黏度的測(cè)量值與擬合值的相對(duì)誤差表Tab.2Table of relative errors between measured and fitted value__s

3 結(jié) 論

（1）當(dāng)含水率一定時(shí)含水原油表觀黏度與溫度成指數(shù)分布；當(dāng)溫度一定時(shí)，含水原油表觀黏度與含水率成三次多項(xiàng)式分布，存在明顯的反相點(diǎn)。

（2）提出含水原油表觀黏度與溫度、含水率的綜合關(guān)系式，從本質(zhì)上反映了溫度、含水率對(duì)表觀黏度的綜合影響，同時(shí)繪制出表觀黏度與溫度、含水率的三維曲面圖，可以直觀地反映溫度、含水率對(duì)表觀黏度的影響。

（3）建議在對(duì)高含水原油進(jìn)行流變測(cè)量時(shí)要充分?jǐn)嚢?，以便形成穩(wěn)定的水包油乳狀液，這樣就可以減少測(cè)試誤差，提高擬合精度。

（4）對(duì)低含水原油在低溫進(jìn)行流變測(cè)量時(shí)，這時(shí)油樣屬于非牛頓流體，建議要考慮剪切速率對(duì)含水原油表觀黏度的影響，并要分段進(jìn)行曲面擬合。