趙海勇，王 帥，陳 龍，秦 媛，魏紫瀅，趙亞睿，張 玥，蘇春娥

(1.長慶油田 第十一采油廠，甘肅 慶陽 745000；2.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249；3.延安大學(xué) 石油工程與環(huán)境工程學(xué)院，陜西 延安 716000)

引 言

隨著世界石油資源開采年限及力度的不斷增加，原油重質(zhì)化問題愈加嚴(yán)重，面對中輕質(zhì)原油儲備的逐漸枯竭，亟需實現(xiàn)從常規(guī)原油到非常規(guī)原油的轉(zhuǎn)變[1]，開采區(qū)域從陸地到近海、深水?dāng)U展[2-3]。而稠油高黏性引起再啟動問題亟需解決，稠油含膠質(zhì)、瀝青多而含蠟量少，具有黏度高、密度大、凝點低以及流動性極差等顯著特征[4-6]，并具有一定的黏彈性與觸變性特征[7]，特別是在停輸?shù)蜏毓r下的高黏性，導(dǎo)致停輸管線再啟動壓力極大[8-9]。此外，稠油在采輸過程中總會伴隨著油田采出水，易形成稠油乳狀液(W/O型乳狀液或O/W型乳狀液)，由于稠油-水兩相存在反相點、密度差，導(dǎo)致停輸靜置初始流型狀態(tài)變化多端，給稠油-水混輸流動保障帶來極大挑戰(zhàn)[10-11]。目前，針對膠凝含蠟原油管道的停輸再啟動研究較多[12-13]；而對于稠油管輸停運(yùn)再啟動，近年僅見中科院許晶禹教授[3，6-7，14]團(tuán)隊對稠油的屈服特性及停輸管道啟動壓力特征及影響因素等相關(guān)研究，但適合稠油乳狀液的啟動應(yīng)力模式，還需進(jìn)一步系統(tǒng)地研究。本文通過稠油-水混輸再啟動環(huán)道實驗，系統(tǒng)研究了再啟動壓力變化規(guī)律，為稠油-水混輸管線再啟動及流動安全保障提供依據(jù)與理論指導(dǎo)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

選取旅大稠油為油品研究對象，其黏度307.20 mPa·s(50 ℃)、密度為917.5 kg/m3(20 ℃)，通過Anton Paar Rheolab QC流變儀系統(tǒng)剖析稠油乳狀液在不同工況條件下啟動過程的力學(xué)響應(yīng)特性。基于流變儀系統(tǒng)測量其在恒定剪切速率條件下的剪切應(yīng)力與時間的關(guān)系，擬合實驗數(shù)據(jù)建立啟動模型，繼而理論預(yù)測再啟動壓力。

1.2 實驗裝置

為驗證再啟動壓力預(yù)測的可靠性，自主研制一套室內(nèi)稠油-水兩相混輸?shù)沫h(huán)道再啟動實驗裝置，測量再啟動壓力用于對比分析，其管道材質(zhì)為304不銹鋼、管段長度為10.2 m、管內(nèi)徑為25 mm，如圖1所示。

圖1 稠油再啟動環(huán)道實驗裝置

裝置操作流程：將一定比例的油水分別通過變頻油泵、水泵，將油水樣泵送到環(huán)道管路之中，關(guān)閉閥門4，并停泵及關(guān)閉閥門1、閥門2；待停輸一定時間后，將閥門1打開，開啟油泵，在一定流量下啟動停輸管道，環(huán)道不同位置處安裝有6個壓力變送器，測量其在不同工況條件下的再啟動壓力情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 啟動過程剖析

通過流變儀剖析稠油及其乳狀液啟動過程，分析在恒定的剪切速率條件下啟動應(yīng)力隨時間變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)啟動過程可分為剪切應(yīng)力上升、衰減、平衡三階段，如圖2所示。并通過數(shù)據(jù)擬合，可得啟動模型(1)：

圖2 衰竭階段實驗值與擬合值對比

(1)

式中：τs為實時壁面剪切應(yīng)力，Pa；τmax為啟動最大應(yīng)力，Pa；τ∞為平衡剪切應(yīng)力，Pa；B為衰減指數(shù)，s-1，其值愈大，由τmax降至τ∞愈快；T為剪切時間，s；ts為啟動最大應(yīng)力所對應(yīng)的時間，s；t∞為平衡時間，s。

不同溫度剪切平衡后流變特性見表1。

表1 旅大稠油啟動平衡階段流變特征

最大啟動應(yīng)力所對應(yīng)的時間ts，實際上該時間是流變儀軟件選擇所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力(或扭矩)的時間，即設(shè)置好所需的剪切速率，流變儀將自動匹配在該工況下油樣中所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力。故ts為流變儀匹配剪切速率與應(yīng)力相對應(yīng)所需要的時間，因此，ts不是油品自身性質(zhì)的體現(xiàn)，所以在模型(1)的基礎(chǔ)上，設(shè)ts=0，即直接給停輸管道一個Q的啟動流量，不考慮啟動上升階段的緩沖過程，模型(1)可演變成模型(2)：

(2)

將稠油乳狀液從啟動過程中的最大啟動應(yīng)力降至平衡應(yīng)力所需的時間t∞與壓力波在停輸管道啟動時的傳播時間最大L/α相比較。

當(dāng)管道啟動壓力波總傳播時間小于平衡時間，即總傳播時間L/α≤t∞時，旋轉(zhuǎn)啟動應(yīng)力計算式為

(3)

當(dāng)管道啟動壓力波總傳播時間大于平衡時間，即總傳播時間L/α>t∞時，旋轉(zhuǎn)啟動應(yīng)力計算式為

(4)

式中：τl為距離停輸管道首端l處管道的壁面剪切應(yīng)力，Pa；α為壓力波傳播速度，m/s；l為距離停輸管道首端的距離，m。

以上分析可得在恒定剪切速率下，初始啟動時啟動應(yīng)力將迅速達(dá)到最大值，之后將隨著剪切時間逐漸緩慢地下降。

2.2 再啟動壓力預(yù)測

通過理論分析，其啟動過程所產(chǎn)生的啟動壓力，包括3部分，即

(5)

式中：Pl為由摩阻產(chǎn)生的啟動壓力，Pa；Pα為由壓力波產(chǎn)生的啟動壓力，Pa；Pg為由高程差產(chǎn)生的啟動壓力，Pa；L為停輸管道長度，m；Q為啟動流量，m3/s；ρ為流體密度，kg/m3；D為管道內(nèi)徑，m；g為重力加速度，m/s2；h為起終點高程差，m。

啟動時的壓力波傳播速度[14]

(6)

式中：K為油流體積模量，取1.56×109Pa；δ為管壁厚度，m；c1為管道支撐情況修正因數(shù)，一般c1=1；E為管材的彈性模量，取2.069×1011Pa。

式(5)中，第一項摩阻壓力Pl主要是由壁面剪切應(yīng)力產(chǎn)生的，而稠油及其乳狀液在啟動過程中又表現(xiàn)出剪切稀釋性，壁面剪切應(yīng)力將隨著時間緩慢降低，所以在恒定啟動流量下，啟動過程中應(yīng)力不是恒定值，而隨著管道距離(即剪切時間)的變化而變化。

當(dāng)停輸管道加壓后，首端稠油即剪切流動，沿管線逐漸往末端傳播，當(dāng)加壓時間t=L/α后，壓力波將傳到管道末端，末端稠油開始剪切啟動，末端油流剪切流動時間接近于零，而首端油流已剪切流動。若壓力波沿管道傳播速度α不變，則管道中各點稠油的剪切流動時間與其至首端的距離成負(fù)相關(guān)，離首端距離愈遠(yuǎn)，則剪切流動時間愈短。令l為某點至管道首端的距離，則該點稠油在管道啟動時已經(jīng)歷了時間為(L-l)/α的流動剪切，把t=(L-l)/α代入式(3)或(4)，即可得到管壁剪切應(yīng)力沿管道長度的分布函數(shù)。

當(dāng)停輸管道再啟動時全線溫度一致時，停輸管道啟動過程中由摩阻產(chǎn)生的啟動壓力Pl及其工況條件下的啟動壓力P的計算如下：

(1)當(dāng)L/α≤t∞時，

(7)

故此工況條件下的啟動壓力

(8)

(2)當(dāng)L/α>t∞時，

(9)

故此工況條件下的啟動壓力

(10)

2.3 實例分析

實驗啟動管路長10.2 m，管內(nèi)徑25 mm，壁厚4 mm，實驗油樣分別為純油和含水10%乳狀液，啟動溫度分別為30 ℃和40 ℃。在不同啟動流量下3.27～13.98 L/min，實驗測量再啟動壓力，計算其理論預(yù)測值和相對誤差，結(jié)果見表2。圖3為再啟動壓力預(yù)測值與實測對比分析結(jié)果，平均相對誤差為6.95%，吻合精度較好。

表2 實驗測量再啟動壓力及其預(yù)測值

圖3 不同條件下再啟動壓力預(yù)測值與實測值對比

3 結(jié) 論

(1)以稠油為研究對象，通過Anton Paar Rheolab QC流變儀系統(tǒng)分析了稠油及其乳狀液初始啟動力學(xué)響應(yīng)特性，初始啟動過程可分為啟動應(yīng)力上升、衰減與平衡3個階段。

(2)依據(jù)旋轉(zhuǎn)啟動過程的流變數(shù)據(jù)，建立了啟動應(yīng)力模型，并引入了衰減指數(shù)B，準(zhǔn)確地描述停輸管道再啟動過程中的應(yīng)力變化。

(3)自主研制并加工搭建了一套室內(nèi)小型再啟動環(huán)道實驗裝置，可快速方便測量不同的啟動流量、不同溫度工況條件下停輸管道的啟動壓力；理論分析再啟動過程與再啟動壓力計算。環(huán)道啟動過程表明，適當(dāng)增大啟動流量可縮短啟動時間，但同時也增大了管線的再啟動壓力；將理論預(yù)測值與實驗測量值進(jìn)行對比分析，平均絕對相對誤差為6.95%，有較好的吻合精度。