聚丙烯酰胺水溶液管道流動特性研究

呂宇玲，丁慎圓，何利民，安文鵬，劉元威

（1中國石油大學儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580；2中國石油大港油田原油運銷公司，天津 300000）

聚丙烯酰胺水溶液管道流動特性研究

呂宇玲1，丁慎圓1，何利民1，安文鵬1，劉元威2

（1中國石油大學儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580；2中國石油大港油田原油運銷公司，天津 300000）

采用可控溫不銹鋼環(huán)道對集輸管道常見濃度范圍內(nèi)含聚丙烯酰胺水溶液的流動特性進行了室內(nèi)實驗研究。研究結(jié)果表明：溫度對聚丙烯酰胺溶液壓降梯度的影響存在一個臨界濃度，在臨界濃度后，聚丙烯酰胺溶液的壓降梯度隨溫度的升高逐漸減小，在臨界濃度前會出現(xiàn)隨溫度升高壓降梯度增大的現(xiàn)象；壓降梯度隨聚丙烯酰胺濃度的升高先減小后增大，隨流速的降低、溫度的升高聚丙烯酰胺溶液的最低壓降點后移。減阻率隨流速的升高逐漸增大；隨流速的降低、溫度的升高最高減阻率點后移。聚丙烯酰胺溶液表現(xiàn)出明顯的剪切稀釋性。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析得到了聚丙烯酰胺溶液的增黏特性占主要地位時其混合黏度符合的方程組。

聚丙烯酰胺；溶液；流動；壓降梯度；減阻率；黏度

隨著東部油田的開采進入中后期，我國多數(shù)油井采出液含水量達到90%甚至更高，聚合物能夠增加驅(qū)替液的黏度，改善油水流度比，提高波及效率，能大幅度提高原油采收率，因此，聚合物驅(qū)在三次采油階段得到了廣泛應用。聚丙烯酰胺溶液是最常用的聚合物驅(qū)，雖然國內(nèi)外學者對聚丙烯酰胺溶液的特性已進行過許多研究，但大多集中在其增黏特性的研究[1-6]或低濃度的管流實驗以及其減阻機理的研究方面[7-11]。聚丙烯酰胺分子的線性長鏈及其形成的無規(guī)則線團對溶液的黏度有重要影響，相對分子質(zhì)量越大，分子鏈越長，分子間越易形成鏈纏結(jié)，因此溶液黏度也就越大[12]。關(guān)于聚合物的減阻機理各國研究者已經(jīng)提出了數(shù)種有代表性的理論[13-16]，并能在一定程度上從不同側(cè)面解釋聚合物的減阻機理，但到目前為止還沒有一種單一的理論與所有的實驗數(shù)據(jù)相吻合，可以肯定的是高分子量的柔性聚合物分子鏈是減阻的重要原因[17]。蔡偉華[18]實驗研究了聚丙烯酰胺的減阻特性，發(fā)現(xiàn)低溫時聚丙烯酰胺有較高的減阻效果，高溫時存在明顯的降解現(xiàn)象。Pereira等[19]研究了柔性高分子鏈的聚環(huán)氧乙烷和聚丙烯酰胺與剛性高分子鏈的黃原膠的減阻性能受濃度、溫度等的影響以及它們之間的不同。Zhang等[20]研究了波紋管中聚丙烯酰胺溶液的流動和傳質(zhì)特性。然而針對三次采油階段采出液中較高聚丙烯酰胺濃度的管流實驗則少有報道。在采出液含水達80%甚至更高時，采出液在集輸管路中的壓降和聚合物溶液的性質(zhì)有很大關(guān)系，在現(xiàn)有工藝條件下采出液中聚合物的濃度可高達1000mg/L。本文采用某油田現(xiàn)場用聚丙烯酰胺和現(xiàn)場水配制的聚丙烯酰胺溶液對集輸管道常見聚合物濃度范圍內(nèi)聚丙烯酰胺水溶液的流動特性進行了詳細的研究。

1 實驗系統(tǒng)及主要設(shè)備

實驗系統(tǒng)如圖1所示，由螺桿泵、質(zhì)量流量計、實驗管路、儲罐、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。實驗管路為內(nèi)徑25.4mm、長30.8m的不銹鋼套管，夾層可以通過水浴控溫，最外層采用聚氨酯材料保溫。管路沿線布置了P1～P4共4個Keller壓力傳感器和T1～T4共4個溫度傳感器。為了更貼近現(xiàn)場實際工況，實驗溫度設(shè)定為該油田典型原油凝點32℃附近，具體為22℃、25℃、28℃、32℃、37℃。聚丙烯酰胺溶液的性質(zhì)受剪切影響較大，為了充分減少實驗中的剪切作用，除選用剪切作用小的螺桿泵外還在質(zhì)量流量計上加一路旁通，當調(diào)至目標流量后立即切換至旁通以減小質(zhì)量流量計對聚丙烯酰胺溶液的剪切。表1為相同轉(zhuǎn)速下切換旁通前后采集的壓力數(shù)據(jù)對比，從表1中可以看出，切換旁通前后壓力數(shù)據(jù)基本一致，可以認為切換旁通前后流量基本不變。

圖1 實驗環(huán)道流程圖

表1 相同轉(zhuǎn)速下切換旁通前后壓力數(shù)據(jù)對比

2 實驗結(jié)果

2.1 壓降梯度隨流動參數(shù)變化規(guī)律

圖2是不同聚丙烯酰胺濃度和流速下聚丙烯酰胺溶液的壓降梯度（dp/dz）隨溫度T的變化規(guī)律。除200mg/L外，其余聚丙烯酰胺濃度下壓降梯度隨溫度的升高均呈逐漸減小的趨勢，這主要是因為溫度的升高使得聚丙烯酰胺溶液的黏度下降。

聚丙烯酰胺溶液的濃度為200mg/L時會出現(xiàn)隨溫度的升高壓降梯度增大的情況，這主要是因為200mg/L時聚丙烯酰胺溶液的減阻特性占主要地位，增黏特性占次要地位，溫度的升高雖然使得聚丙烯酰胺溶液的黏度下降，但是聚丙烯酰胺溶液減阻性能的下降幅度也較大，當溶液減阻性能下降的幅度大于溶液增黏性能下降的幅度時便出現(xiàn)隨溫度的升高聚丙烯酰胺溶液壓降梯度上升的情況。

可以預見在0～400mg/L內(nèi)有一個臨界濃度，當大于臨界濃度時隨溫度的升高聚丙烯酰胺溶液增黏特性的下降占主要地位。不同流速下有不同的臨界聚丙烯酰胺濃度值。聚丙烯酰胺濃度為200mg/L、流速0.4m/s和0.6m/s時，壓降梯度隨溫度的升高逐漸增大；流速0.8m/s、1.0m/s、1.2m/s和1.4m/s時壓降梯度隨溫度的升高先減小后增大。這說明聚丙烯酰胺濃度為200mg/L較低流速時減阻特性對溫度的升高更敏感，較高流速較低溫度時增黏特性對溫度的升高更敏感，較高流速較高溫度時減阻特性對溫度的升高更敏感。

圖3是不同溫度和流速下，聚丙烯酰胺溶液的壓降梯度隨聚丙烯酰胺濃度c的變化規(guī)律。從圖3中可以看出，各個溫度和流速下聚丙烯酰胺溶液的壓降梯度均隨聚丙烯酰胺濃度的升高呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律。

圖2 壓降梯度隨溫度的變化

這是因為聚丙烯酰胺溶液具有減阻增黏的特性，達到最低壓降點前，隨溶液濃度的升高減阻性占主要地位，達到最低壓降點后繼續(xù)增加聚丙烯酰胺濃度，其增黏特性導致壓降梯度升高。22℃流速為0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s時在聚丙烯酰胺濃度為400mg/L下壓降梯度有最小值，流速為1.0m/s、1.2m/s、1.4m/s時在聚丙烯酰胺濃度為200mg/L時壓降梯度有最小值。溫度為37℃時，各個流速下均在400mg/L時壓降梯度有最小值。即較低溫度較低流速時壓降梯度在400mg/L時有最小值，較低溫度較高流速時壓降梯度在200mg/L時有最小值；較高溫度時，壓降梯度在400mg/L時有最小值。表明隨流速的降低、溫度的升高聚丙烯酰胺溶液的最低壓降點后移，即流速越低、溫度越高，要達到最低壓降點所需的聚合物濃度越高。

圖3 壓降梯度隨聚丙烯酰胺濃度的變化

2.2 減阻率隨流動參數(shù)變化規(guī)律

減阻率是減阻劑的一個重要參數(shù)，本文減阻率的定義如式（1）所示。

圖4是22℃時不同聚丙烯酰胺濃度下聚丙烯酰胺溶液的減阻率隨流速的變化規(guī)律。從圖4中可以看出，各個工況下聚丙烯酰胺溶液的減阻率均隨流速的升高而逐漸增大，且聚丙烯酰胺濃度越高這種現(xiàn)象越明顯。從圖中還可以看出800mg/L、流速0.4m/s和1000mg/L、流速0.4m/s、0.6m/s時減阻率為負值，說明高聚丙烯酰胺濃度低流速下聚丙烯酰胺溶液不僅沒有減阻性能，還會使溶液的壓降增大，這主要是由聚合物溶液的增黏特性和聚合物的減阻機理導致的。雖然現(xiàn)在聚合物的減阻機理有各種不同的理論假說[13-16]，但聚合物能抑制湍流中的能量耗散已達成共識，即流動為層流時沒有減阻現(xiàn)象發(fā)生，流動為湍流時才會出現(xiàn)減阻，且其他條件一定時湍流強度越高減阻現(xiàn)象越明顯。在較高聚丙烯酰胺濃度較低流速時聚丙烯酰胺溶液減阻性能很小甚至根本沒有減阻性能，而其增黏特性導致壓降梯度增大。

圖4 減阻率隨流速的變化（22℃）

圖5是不同聚丙烯酰胺濃度和流速下聚丙烯酰胺溶液的減阻率隨溫度的變化規(guī)律。從圖5中可以看出，聚丙烯酰胺溶液濃度為200mg/L時，減阻率隨溫度的升高整體上呈逐漸減小的趨勢，但有波動現(xiàn)象。其余聚丙烯酰胺濃度下減阻率隨溫度的升高逐漸增大，且流速越低減阻率隨溫度升高的減小幅度越大。這是因為溫度的升高會導致聚丙烯酰胺高分子鏈的斷裂，而高分子鏈的斷裂既使得聚丙烯酰胺的增黏特性下降，又使得聚丙烯酰胺的減阻特性下降，在達到最大減阻率前分子鏈的斷裂主要表現(xiàn)為減阻特性的下降，在達到最大減阻率后分子鏈的斷裂主要表現(xiàn)為增黏特性的下降。

圖5 減阻率隨溫度的變化

圖6是不同流速和溫度下聚丙烯酰胺溶液的減阻率隨聚丙烯酰胺濃度的變化規(guī)律。從圖6中可以看出，流速為0.4m/s時，減阻率隨聚丙烯酰胺濃度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，在聚丙烯酰胺濃度為400mg/L時有最大減阻率。流速為1.4m/s時，22℃、25℃時減阻率隨聚丙烯酰胺濃度的升高逐漸減小，28℃、32℃、37℃時減阻率隨聚丙烯酰胺濃度的升高先增大后減小，在400mg/L時減阻率有最大值。即較低流速時在400mg/L處有最大減阻率，較高流速較低溫度時在200mg/L處有最大減阻率，較高流速較高溫度時在400mg/L處有最大減阻率，可以看出隨流速的降低、溫度的升高最高減阻率點后移。這是因為相同濃度下隨流速的降低、溫度的升高聚丙烯酰胺溶液的減阻率均下降，所以隨流速的降低、溫度的升高最高減阻率點后移，即流速越低、溫度越高要達到最高減阻率所需的聚合物濃度越高。

圖6 減阻率隨聚丙烯酰胺濃度的變化

圖7 混合黏度隨流速的變化（800mg/L）

2.3 混合黏度隨流動參數(shù)的變化規(guī)律

圖7是800mg/L時聚丙烯酰胺溶液的混合黏度μm[管流條件下，由達西公式反算求得，如式（2）所示]隨流速的變化規(guī)律。從圖7中可以看出，各個工況下聚丙烯酰胺溶液的混合黏度均隨流速的增大而逐漸減小，表現(xiàn)出明顯的剪切稀釋性。

從圖7中還可以看出，流速從0.4m/s到0.6m/s時混合黏度下降幅度較大，之后下降幅度逐漸減小，這是因為低流速時聚合物溶液的減阻率較低，隨流速的增大減阻率先迅速增大然后再逐漸增大，導致混合黏度的變化呈現(xiàn)圖中的趨勢。

2.4 混合黏度模型

本文通過對聚丙烯酰胺溶液的混合黏度取對數(shù)值，分析了其隨流動參數(shù)的變化規(guī)律，并得出了在聚丙烯酰胺濃度為400～1000mg/L，即增黏特性占主要地位時lgmμ符合的方程組。

從圖8中可以看出，聚丙烯酰胺濃度為1000mg/L時，lgmμ隨流速的變化可分為兩個階段，每個階段均近似呈線性變化。本文假定相同流速不同溫度下f=lgmμ隨流速v線性變化的斜率fv′不變，即fv′僅和聚丙烯酰胺濃度c有關(guān)。

圖9(a)、(b)分別是流速0.4～0.8m/s和0.8～1.4m/s時速度相關(guān)系數(shù)fv′隨聚丙烯酰胺濃度的變化關(guān)系。通過對實驗數(shù)據(jù)的回歸得到式（3）、式（4）。

圖8 1000mg/L時lgmμ隨流速的變化

圖9隨聚丙烯酰胺濃度的變化

從圖10可以看出，流速1.2m/s時，lgmμ在聚丙烯酰胺濃度400～1000mg/L范圍內(nèi)隨聚丙烯酰胺濃度的升高近似呈線性關(guān)系。

本文假定相同流速不同溫度下lgmμ隨聚丙烯酰胺濃度c線性變化的斜率fc′不變，即fc′僅和v有關(guān)，圖11是濃度相關(guān)系數(shù)fc′隨速度的變化關(guān)系。通過對實驗數(shù)據(jù)的回歸得到式（5）。

圖10 1.2m/s時lgmμ隨聚丙烯酰胺濃度的變化

圖11′隨流速的變化

圖12 800mg/L時lgmμ隨溫度的變化

式（5）就是聚丙烯酰胺溶液混合黏度mμ的對數(shù)值lgmμ在400～1000mg/L范圍內(nèi)符合的方程組。

圖12是800mg/L時lgmμ隨溫度的變化規(guī)律。從圖12中可以看出，混合黏度隨溫度的增大均近似呈線性減小。對每個工況下的lgmμ-T進行線性回歸，最后對所有的數(shù)據(jù)求平均值，得到lgmμ隨T線性變化的斜率為式（6）。

綜上所述可得式（7）。

式中，v為流速，m/s；c為聚丙烯酰胺濃度，g/L。

3 結(jié) 論

本文研究了實際油田集輸管道中常見聚丙烯酰胺濃度范圍內(nèi)聚丙烯酰胺溶液的壓降梯度和混合黏度隨流速、溫度、聚丙烯酰胺濃度等流動參數(shù)的變化規(guī)律。實驗結(jié)果表明，在達到臨界濃度后聚丙烯酰胺溶液的壓降梯度隨溫度的升高逐漸減小，減阻率隨溫度的升高逐漸增大；在臨界濃度之前會出現(xiàn)隨溫度升高聚丙烯酰胺溶液壓降梯度升高，減阻率降低的現(xiàn)象。隨聚丙烯酰胺濃度的升高，壓降梯度先減小后增大，且隨溫度的升高，流速的降低最低壓降點后移。隨聚丙烯酰胺濃度的升高，較低流速時在400mg/L處有最大減阻率，較高流速較低溫度時在200mg/L處有最大減阻率，較高流速較高溫度時在400mg/L處有最大減阻率，隨流速的降低、溫度的升高最高減阻率點后移。隨流速的升高，聚丙烯酰胺溶液的混合黏度逐漸下降，表現(xiàn)出明顯的剪切稀釋性。本文還得出了在聚丙烯酰胺溶液的增黏特性占主要地位時其混合黏度符合的方程組。

符 號 說 明

c——聚合物濃度，mg/L

D——管內(nèi)徑，m

V——流速，m/s

Δp0——未加聚合物時的壓降，kPa

ΔpC——加入聚合物時同段管路相同流量下的壓降，kPa

Re——雷諾數(shù)，量綱為1

ε——減阻率，%ρ——溶液密度，kg/m

μm——混合黏度，mPa·s

[1] Smith E A，Oehme F W. Rapid direct analysis of acrylamide residue in polyacrylamide thickening agents by HPLC[J].Journal of Chromatographic Science，1993，31（5）：192-195.

[2] 石少波，胡仰棟，韋欽勝. 聚丙烯酰胺的溶解與攪拌速度和溶解溫度的關(guān)系[J]. 石油煉制與化工，2005，36（11）：66-68.

[3] Caulfield Marcus J，Hao Xiaojuan，Qiao Greg G，et al. Degradation on polyacrylamides. Part I. Linear polyacrylamide[J].Polymer，2003，44（5）：1331-1337.

[4] Chen Hong，Han Lijuan，Xu Peng，et al. The thickening mechanism study of hydrophobically modified polyacrylamide[J].Acta Phys.：Chim. Sin.，2003，19（11）：1020-1024.

[5] 劉艷艷，陳攀科，羅健輝，等. 聚丙烯酰胺稀溶液的分子模擬[J]. 物理化學學報[J]. 2010，26（11）：2907-2914.

[6] 孫紅英，陳紅祥，李金波，等. 聚丙烯酰胺溶液黏度的影響因素[J]. 精細石油化工進展，2005，6（9）：1-3.

[7] 車福利，戴倩敏，李玉勝，等. 管道減阻劑PAM溶液的減阻性能研究[J]. 中國石油和化工標準與質(zhì)量，2012（2）：248.

[8] 朱蒙生. 管流添加劑減阻的實驗與機理研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2009.

[9] 李撥. 聚丙烯酰胺水溶液減阻及抗剪切特性[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2009.

[10] 鄧明毅. 聚合物稀溶液紊流減阻作用機理綜述[J]. 鉆井液與完井液，1997，14（1）：36-39.

[11] Abubakar A，Al-Wahaibi T，Al-Wahaibi Y，et al. Roles of drag reducing polymers in single- and multi-phase flows[J].Chemical Engineering Research and Design，2014. DOI：10.1016b/j.cherd.2014.02.031.

[12] 陳琨. 部分水解聚丙烯酰胺水溶液流變性研究[D]. 濟南：山東大學，2012.

[13] Virk P S. Drag reduction fundamentals[J].AIChE Journal，1975，21（4）：625- 656.

[14] 馬衛(wèi)榮，譚芳，趙玲莉，等. 減阻劑的發(fā)展與應用[J]. 新疆石油天然氣，2005（1）：71-74.

[15] 王英奎，江春波，李玲. 流動減阻的研究綜述[J]. 水力發(fā)電，2008，34（2）： 67-70.

[16] 韋新東. 對高聚物減阻機理的探討[J]. 吉林建筑工程學院學報，1994（4）：63-68.

[17] Bird R Byron，Hassager Ole. Dynamics of Polymer Liquids[M]. New York：Wiley，1987.

[18] 蔡偉華. 聚丙烯酰胺水溶液減阻特性實驗研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2008.

[19] Pereira Anselmo S，Andrade Rafhael M，Soares Edson J. Drag reduction induced by flexible and rigid molecules in a turbulent flow into a rotating cylindrical double gap device comparison between poly （ethylene oxide），polyacrylamide，and xanthan gum[J].Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics，2013，202：72-87.

[20] Zhang Liang，Bian Yongning，Bai Minli. Fluid flow and mass transfer characteristics of water and polyacrylamide solution[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2013，46：191-198.

Flow characteristics of polyacrylamide solution in a pipeline

Lü Yuling1，DING Shenyuan1，HE Limin1，AN Wenpeng1，LIU Yuanwei2
（1Department of Storage & Transportation Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，Shandong，China；2China Dagang Oilfield Petroleum Distribution Company，Tianjin 300000，China）

This passage studies the flow characteristics of polyacrylamide （PAM） solution in a pipeline at the common concentration range of gathering lines. The experiments were carried out in a 25.4 mm nominal bore horizontal double-wall pipeline which is made up of stainless-steel and can be temperature controlled by a water bath. The results show that：there is a critical concentration point existing on the influence of temperature on pressure drop gradient，after the concentration point the pressure drop gradient decreases with the rise of temperature，before the critical concentration point pressure drop gradient increasing with the rise of temperature would occur，the critical concentration point is related to velocity；the pressure drop gradient first decreases then increases with the rise of PAM concentration，the minimum pressure drop point would move backwards with the decrease of velocity and rise of temperature. The drug reduction efficiency increases with the rise of temperature，the maximum drug reduction point would move backwards with the decrease of velocity and rise of temperature. The polyacrylamide solution shows an apparent property of shear thinning. Through the analysis of the experimental data an equation set of PAM solution’s mixture viscosity is obtained.

polyacrylamide；solution；flow；pressure drop gradient；drug reduction efficiency；viscosity

TE 8

A

1000-6613（2014）10-2592-07

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.10.013

2014-04-02；修改稿日期：2014-05-19。

國家自然科學基金項目（51106182）。

及聯(lián)系人：呂宇玲（1971—），女，博士，教授，主要從事油氣水多相流與多相分離研究。E-mail lyl8391811@163.com。