敬加強，尹曉云，MASTOBAEV Boris N，VALEEV Anvar R，孫杰，王思汗，劉華平，莊樂泉，范崢嶸

（1 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都610500；2 油氣消防四川省重點實驗室，四川成都611731；3 Department of Transport and Storage of Oil and Gas，Ufa State Petroleum Technological University，Russia Ufa 450062；4 西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點實驗室，陜西西安710049）

隨著石油資源需求的不斷增長和常規(guī)原油的日漸枯竭，世界原油供應(yīng)呈重質(zhì)化的發(fā)展趨勢，儲量豐富的稠油勢必會成為今后重要的石油接替資源[1]。但稠油黏度高、密度大、流動性差的特點給其開采與儲運帶來極大困難與挑戰(zhàn)，其降黏減阻采輸技術(shù)一直以來備受世界石油界的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的稠油降黏減阻方法主要包括加熱法[2]、摻稀法[3]、乳化法[4]、改質(zhì)法[5]，但這些方法普遍存在能耗大、建設(shè)成本及運行費用高、油品品質(zhì)變化大等問題。為此，學(xué)者們提出低黏水相貼壁形成環(huán)狀潤滑層包裹在高黏稠油外部，以阻隔油相與管壁直接接觸的水環(huán)輸送法。水環(huán)輸送法不僅可以大幅降低泵送能耗，還可以減少油相對管壁的污染，且易于實現(xiàn)稠油的常溫輸送[6]。

目前，國外學(xué)者對水環(huán)輸送稠油技術(shù)的研究較為廣泛和深入，主要涉及水環(huán)生成器的優(yōu)化設(shè)計[7-9]、油-水兩相流流型特征與壓降規(guī)律的試驗探索及理論分析[10-14]、油-水環(huán)狀流穩(wěn)定性的增強方法[15-18]、水環(huán)輸送管道的停輸再啟動問題[19-21]等方面。國內(nèi)學(xué)者對該領(lǐng)域的研究起步相對較晚，主要以理論分析與數(shù)值模擬為主[6,22-26]，而與試驗相關(guān)的研究工作則相當少[27-29]，可供參考借鑒的文獻非常有限。

本文采用較黏稠的500#白油和自來水作為研究對象，基于自主設(shè)計的水環(huán)輸送稠油減阻模擬試驗系統(tǒng)，模擬研究相應(yīng)的水平管流流型特征及阻力特性，分析兩相表觀流速及入口含水率對減阻效果與輸油效能的影響，并確定試驗條件下水環(huán)輸送白油的最佳工況范圍，可為今后現(xiàn)場實施稠油水環(huán)輸送工藝時提供一定的理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

由于普通稠油呈深黑色，黏附于管壁后不易清洗，油-水兩相流流型的檢測與識別將會受到較大程度的干擾。因此，試驗選用黏度和密度相當?shù)?00#白油作為模擬油樣，進而開展水環(huán)輸送稠油減阻試驗，同時在油中加入一種“油溶黑”染色劑，便于試驗時的流型觀察。采用比重瓶法，測定20℃時 的 白 油 密 度 為 902kg/m3。 利 用HAAKE Viscotester iQ Air 流變儀，測試白油在20～80℃范圍內(nèi)的流變特性及黏溫特性如圖1 所示。由此可知，模擬白油在測試溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出牛頓流體特性，其黏度隨溫度升高迅速降低后趨于平緩，測得20℃黏度為1055.3mPa·s。試驗用水來自成都自來水供應(yīng)廠，其20℃時的密度與黏度分別為998.2kg/m3和1.005mPa·s。

圖1 白油的流變特性及黏溫特性

1.2 試驗裝置

稠油水環(huán)輸送減阻試驗裝置主要由油水供給系統(tǒng)、管路測試系統(tǒng)、吹掃系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，其流程如圖2 所示。整套裝置管線總長約為15m，其中測試管段（L=0.9m，ID=25mm）所用材料為硬質(zhì)聚氯乙烯塑料（UPVC）。測試段兩端裝有引壓孔，連接CYQ-3051DP差壓變送器測試該段流體壓降，且靠近測試段末端布設(shè)2F04C高速攝像機及配套LED光源，拍攝油-水兩相流型。

油水供給系統(tǒng)由油路和水路組成。油路主要包括50L儲油罐、ZYB-83.3高溫渣油泵、LWGY-830渦輪流量計、閥門等部件，儲油罐內(nèi)油品經(jīng)渣油泵加壓、渦輪流量計計量后進入水環(huán)發(fā)生器，與水相混合；水路主要包括50L儲水罐、CVL4-16立式不銹鋼多級離心泵、LDC-QX315 電磁流量計、閥門等部件，儲水罐內(nèi)自來水經(jīng)離心泵加壓、電磁流量計計量后進入水環(huán)發(fā)生器，與油相混合。吹掃系統(tǒng)主要由V-0.60/8空氣壓縮機、儲氣罐、調(diào)壓閥等部件構(gòu)成，用于每組試驗結(jié)束后的管路吹掃，以利于后續(xù)試驗中壓差的準確測量及流型的清晰觀察。

本試驗所應(yīng)用的水環(huán)發(fā)生器如圖3所示。水環(huán)發(fā)生器總長200mm，由內(nèi)筒和外筒兩部分組成。內(nèi)筒作為油流通道，其內(nèi)徑為21mm；外筒作為水流通道，其內(nèi)徑為25mm，則發(fā)生器的環(huán)隙寬度為2mm。油流沿水平方向進入管道中心，水流沿垂直方向進入環(huán)形空間，實現(xiàn)油水兩相的同軸流動，油水兩相向前流過一段距離后產(chǎn)生接觸面，形成水環(huán)包裹在核心油流外部的環(huán)狀流形態(tài)。

1.3 試驗方法

根據(jù)Bannwart[30]提出的環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)穩(wěn)定存在的條件及準則，本試驗選定油與水的表觀流速范圍分別為0.3～1.0m/s 與0.11～0.72m/s，設(shè)定入口含水率范圍為0.13～0.49。水環(huán)潤滑減阻試驗均在20℃室溫下進行，其具體步驟如下：首先，將室溫下的油和水分別加入儲油罐和儲水罐；其次，開啟水路閥門和水泵，使試驗管路充滿水，讓水充分潤濕管壁；再次，開啟油路閥門和油泵；接著，通過變頻器和旁通閥調(diào)節(jié)油水流量至設(shè)定值；隨后，一定流量的油和水通過水環(huán)發(fā)生器形成穩(wěn)定環(huán)狀流，依次經(jīng)過下游壓差測量和流型拍攝管段；最后，測試流體流入油水分離罐進行靜置分離，分離后的油水分別通過出油口和出水口流入各自的儲罐內(nèi)，實現(xiàn)油和水在試驗管路中的循環(huán)流動。試驗過程中，待油水流量穩(wěn)定后，拍攝流型圖像并采集相關(guān)數(shù)據(jù)（壓降、流量等流動參數(shù)），以分析水環(huán)輸送稠油的流動特征及減阻特性。試驗結(jié)束后，打開空氣壓縮機，對試驗管路進行吹掃。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

1.4.1 折算系數(shù)

為探究壓降隨油-水兩相流流速的變化規(guī)律及評價水環(huán)潤滑輸送稠油的減阻效果，定義油-水穩(wěn)定流動的壓力梯度折減比即折算系數(shù)RF，其計算如式(1)所示。

1.4.2 輸油效率

由于與普通輸油方式相比，在相同管輸量下，水環(huán)輸送稠油的摩阻和輸油量均會減小。因此，引入單位壓力梯度的平均輸油量即輸油效率η來評價水環(huán)輸送稠油的效益[31-32]，其計算如式(2)所示。

圖2 試驗裝置

圖3 水環(huán)發(fā)生器

2 結(jié)果與討論

2.1 流型特征

油-水兩相在不同流量下的典型流型特征如圖4 所示。圖中Uos表示油相表觀流速，分別為0.3～1.0m/s（間隔0.1m/s），Uws表示水相表觀流速，對應(yīng)Uos8 個表觀流速下的Uws范圍分別為0.11～0.29m/s、0.12～0.37m/s、 0.16～0.48m/s、 0.13～0.46m/s、0.12～0.54m/s、 0.12～0.52m/s、 0.15～0.62m/s、0.18～0.72m/s。

試驗中觀察到的流型總體上呈水環(huán)包裹核心油流的環(huán)狀流結(jié)構(gòu)，即油核在管道中心區(qū)域流動，環(huán)狀水膜在管壁附近流動。由于油水密度差的存在，核心油流上浮而水下沉，導(dǎo)致管道頂部水膜減薄，底部水膜增厚，最初的同心液環(huán)流動轉(zhuǎn)變?yōu)槠囊涵h(huán)流動。且隨著流動距離和流動時間的增長，油相最終會與管壁接觸，使水環(huán)遭到破壞。但因本試驗所用管道長度較短，偏心液環(huán)能在整個管段內(nèi)保持相對穩(wěn)定的流動狀態(tài)，因此在試驗過程中始終未觀察到油滴黏附在管壁的現(xiàn)象。

2.2 壓降規(guī)律

2.2.1 入口含水率的影響

不同油相表觀流速下含水率Cw對油-水兩相環(huán)狀流壓力梯度的影響如圖5所示。由圖5可見，對于7組油相表觀流速的不同水相表觀流速組合，隨Cw增大，壓力梯度Δpow/L均呈單調(diào)上升趨勢。且在相同含水率條件下，油相表觀流速越大，壓力梯度越大。究其原因，主要是由于在試驗工況下，油-水環(huán)狀流都處于相對穩(wěn)定的流動狀態(tài)，因而增大含水率，非但不能明顯增強環(huán)狀流流動的穩(wěn)定性，反而會增大油水總流量，結(jié)果使得油-水環(huán)狀流體系的流動阻力增大。

2.2.2 水表觀流速的影響

圖6展示了不同油相表觀流速下水相表觀流速Uws對油-水兩相環(huán)狀流壓力梯度的影響。如圖6所示，壓力梯度Δpow/L 隨Uws的變化規(guī)律與其隨入口含水率的變化規(guī)律類似，即單調(diào)上升。這是由于平衡穩(wěn)定的環(huán)狀流形成后，水流速的增加幾乎不會對其穩(wěn)定性的提高有所幫助，而會增強油水界面間的摻混擾動，并使油水總流量增大，結(jié)果造成環(huán)狀管流的流動阻力增大。此外，相同Uws條件下，Uos越高，Δpow/L 越大，且Δpow/L 隨Uos增大的速率基本一致。

圖4 典型流型對比

圖5 壓力梯度隨入口含水率的變化曲線

圖6 壓力梯度隨水表觀流速的變化曲線

綜上所述，影響水平管內(nèi)油-水環(huán)狀流壓降變化的因素主要包括油流速（或流量）、水流速（或流量）、入口含水率等。

2.3 減阻效果評價

2.3.1 折算系數(shù)

圖7 折算系數(shù)隨入口含水率的變化曲線

按式(1)計算水平管各表觀流速組合下的折算系數(shù)如圖7所示。可以發(fā)現(xiàn)，不同油相表觀流速Uos下，折算系數(shù)RF隨含水率Cw增加而減小，其原因是水流量的增加使油水總流量增大，從而使水環(huán)輸送的流動阻力增大。此外，相同含水率Cw下，油相表觀流速越大，折算系數(shù)越小。這是因為隨Uos增大，水環(huán)輸送單位管長壓降的增長率比純油流動單位管長壓降的增長率更快，故計算得到的折算系數(shù)也就越小。在圖7 中，油相表觀流速為0.4m/s時，折減系數(shù)在含水率為0.23 時達到最大值55；油相表觀流速為0.5m/s 時，折減系數(shù)在含水率為0.49時達到最小值27，即在所選工況范圍內(nèi)，水環(huán)輸送的壓降值僅為相同油流量下純油輸送壓降的1/55～1/27，這一數(shù)據(jù)與Strazza 等[11]的研究結(jié)果一致，該輸送技術(shù)具有非?？捎^的減阻效果。

2.3.2 輸油效率

輸油效率隨入口含水率及油-水兩相混合流速的變化規(guī)律如圖8所示。由圖8可看出，不同油相表觀流速Uos下，輸油效率η隨含水率Cw或混合流速Um增加呈下降趨勢。其原因在于油相表觀流速一定時，隨含水率或混合流速增加，相應(yīng)含油率Co減小的同時，折算系數(shù)RF也會減小，從而導(dǎo)致輸油效率降低。在圖8(a)中，每條輸油效率曲線均在含水率最低時達到最大值，如油相表觀流速為0.8m/s 時，輸油效率在含水率為0.13 時達到最大值45.60。各油相表觀流速（0.3～1.0m/s）下的最大輸油效率對應(yīng)的含水率范圍為0.13～0.27。如圖8(b)所示，油相表觀流速一定時，η隨Um的總體變化趨勢與其隨入口含水率的變化趨勢相似，不同的是η 隨Um增加由高向低變化的速率更快。油相表觀流速由0.3m/s增加至1.0m/s時，各輸油效率最大值對應(yīng)的混合流速范圍介于0.41～1.18m/s之間。

圖8 輸油效率隨入口含水率及混合流速的變化曲線

3 結(jié)論

（1）自主設(shè)計加工并搭建的室內(nèi)環(huán)道試驗裝置適用于水環(huán)輸送稠油的流型特征及阻力特性分析與減阻效果評價。

（2） 在Uos=0.3～1.0m/s、 Uws=0.11～0.72m/s、Cw=0.13～0.49 條件下，環(huán)狀水膜可有效隔離并潤滑油壁界面，油-水兩相流流型總體上呈穩(wěn)定的偏心環(huán)狀流結(jié)構(gòu)。

（3）水潤滑輸送具有明顯的減阻效果，相比于純油流動壓降，水環(huán)輸送可使相同油流量下的流動壓降降為1/55～1/27。

（4）對于水平管內(nèi)水環(huán)輸送白油的管流模擬，當含水率介于0.13～0.27時，輸油效率評價參數(shù)高于40，證實了水環(huán)輸送技術(shù)是一種高效節(jié)能的管道運輸技術(shù)。

為保證水環(huán)長距離、長時間輸送稠油時的平衡穩(wěn)定，實現(xiàn)水環(huán)潤滑輸送的現(xiàn)場應(yīng)用，下一步將圍繞環(huán)狀流的偏心現(xiàn)象開展相關(guān)試驗研究工作，考慮在水中添加高分子聚合物或表面活性劑以增加水溶液的黏彈性，來防止液環(huán)的偏心流動。

符號說明

Co，Cw—— 入口含油率、入口含水率

Δpo/L，Δpow/L —— 純油流動和相同油流量下水環(huán)輸送單位管長壓降，kPa/m

Qo，Qw—— 油流量、水流量，m3/s

RF—— 折算系數(shù)

Uos，Uow，Um—— 油表觀流速、水表觀流速、混合流速，m/s

η —— 輸油效率

下角標

o—— 油相

w—— 水相