水力切割法開采高粘、高凝原油實(shí)驗(yàn)研究

夏志學(xué)，謝 巍，劉玉芳，段 冉，王 芳，李 云，謝唯一，高紅超，陳 曦

1中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司工程技術(shù)研究院，河北 任丘

2中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司儲(chǔ)氣庫管理處，河北 廊坊

3中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司礦區(qū)服務(wù)事業(yè)部，河北 任丘

4中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司合作開發(fā)項(xiàng)目部，河北 任丘

1.前言

資料顯示，在我國的各大油田都具有規(guī)模不同的高粘、高凝油儲(chǔ)量，隨著稀油資源的不斷枯竭，各大油田越來越重視高粘、高凝原油的開采，但高粘、高凝原油的低成本開采問題成為各大油田的瓶頸，由于常規(guī)方法需要對(duì)開采的高粘、高凝原油進(jìn)行加熱降粘，從而導(dǎo)致消耗大量的電資源和煤炭、燃料油資源，在當(dāng)今日益重視環(huán)保的大環(huán)境下，加熱降粘法顯然不符合時(shí)代的要求；化學(xué)添加劑降粘的方法雖然能夠降低高粘、高凝原油的粘度[1]，但由于其受到高粘、高凝原油成分的影響較大，從而導(dǎo)致其應(yīng)用面較窄，需要針對(duì)不同成分的高粘、高凝原油研制對(duì)應(yīng)的降粘劑，這不僅大大增加了科研投入，同時(shí)由于降粘劑的加入增加了高粘、高凝原油開采的成本，還對(duì)后期的煉油中分離這些降粘劑增加了困難；現(xiàn)場生產(chǎn)過程中采用的第三種降粘方法就是摻稀油法，這種方法雖然降粘效果較好，不受高粘、高凝原油成分的影響，但是由于稀油資源日益短缺而導(dǎo)致這種方法受到的局限性越來越大，加之摻稀油法需要使用脫水稀油，當(dāng)將其摻入高粘、高凝原油中后需要重復(fù)脫水，從而大大增加了原油后期處理的費(fèi)用。綜上所述，高粘、高凝原油的低成本開采就成為目前各大油田亟待解決的難題。雖然許多大學(xué)及研究院所、現(xiàn)場工程技術(shù)人員在不間斷地對(duì)高粘、高凝原油的低成本開采進(jìn)行研究，提出了諸如微波加熱法、高粘、高凝原油乳化降粘法等多種措施方法，但均由于其適應(yīng)性較差而停留在小范圍試驗(yàn)階段，不能大面積推廣應(yīng)用，不能形成規(guī)模效益。

在對(duì)上述各種高粘、高凝原油開采方法大量調(diào)研的基礎(chǔ)上[2][3][4][5][6]，分析了上述常用三種降粘方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了水力切割法開采原油的方案。水力切割技術(shù)是國外70年代開發(fā)、80年代發(fā)展起來的高新技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、食品加工等領(lǐng)域[7]。這種方法以往在油田生產(chǎn)中主要應(yīng)用于采油、煤層氣的油管、套管切割中[8][9][10]。因高粘、高凝原油具有非牛頓流體剪切特性[11]，在其凝固點(diǎn)附近可以利用水力切割方法將連續(xù)的高粘、高凝原油切割成小的原油顆?；蛘咴托鯛钗铮蛊淦≡谶B續(xù)水相中，這樣，不僅大大降低了高粘、高凝原油輸送過程中的粘滯阻力，同時(shí)也能夠防止開采輸油過程中導(dǎo)致的“灌腸”現(xiàn)象，為高粘、高凝原油的開采提供了一種有效的技術(shù)措施。

2.水力切割法開采原油機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究

2.1.高粘、高凝原油特性

資料顯示，高粘、高凝原油屬于非牛頓流體，因而在其粘溫特性方面存在著特殊性[12][13]。高粘、高凝原油主要特點(diǎn)體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：一是粘度大、密度大、流動(dòng)性差；普通原油的粘度通常小于500 mPa/s，而普通稠油的粘度約在500～1500 mPa/s之間，高粘、高凝原油的粘度通常在10,000～20,000 mPa/s的范圍內(nèi)，從這里可以看出其粘度之高。并且高粘、高凝原油的密度通常都在0.95 g/cm3左右，與水的密度非常接近。二是粘度對(duì)溫度敏感：圖1是高粘、高凝原油普遍的粘溫特性曲線，從圖1中可以看出，當(dāng)高粘、高凝原油的溫度在凝固點(diǎn)以下時(shí)(圖中原油的凝固點(diǎn)約為48℃)，其粘度大幅度上升，而當(dāng)原油溫度在凝固點(diǎn)之上時(shí)，原油呈現(xiàn)出低粘度的特性。高粘、高凝原油的第三個(gè)特點(diǎn)是原油中的輕烴組分少，瀝青質(zhì)、膠質(zhì)成分多：其平均含量在20%～30%之間[14]。

Figure 1.Viscosity-temperature curve of high-viscosity and pour-point crude oil 圖1.高粘高凝原油粘溫曲線

從上述高粘、高凝原油的特性分析，這些特性無疑為水力切割法管輸?shù)於肆己玫幕A(chǔ)。

2.2.高粘、高凝原油水力切割實(shí)驗(yàn)

2.2.1.實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)樣品篩選

Figure 2.Flow chart of hydraulic cutting test 圖2.水力切割法試驗(yàn)流程圖

圖2是高粘、高凝原油水力切割實(shí)驗(yàn)的裝置流程示意圖，該實(shí)驗(yàn)裝置主要由高壓水泵、蓄能器、噴嘴、油水混合物罐、原油增壓泵等部分組成。各部分的主要作用是：高壓水泵的主要作用是為水力切割提供具有一定壓力的動(dòng)力源，能夠根據(jù)水力切割的不同壓力需求將水加壓到實(shí)驗(yàn)要求的水壓；蓄能器的主要作用是平穩(wěn)高壓水泵工作時(shí)形成的水壓脈動(dòng)，由于高壓水泵通常為柱塞泵，因此從高壓水泵輸出端輸出的水壓通常呈周期性波動(dòng)，這個(gè)波動(dòng)將會(huì)使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變得不穩(wěn)定，為了消除由于水壓波動(dòng)給實(shí)驗(yàn)帶來的不必要影響，在試驗(yàn)流程中增加了蓄能器。蓄能器的另外一個(gè)作用就是能存儲(chǔ)一定的壓力，在體積變化不大的情況下保持壓力的穩(wěn)定，這也為準(zhǔn)確的獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供了條件；油水混合罐是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵設(shè)備，在這里，高壓水通過噴嘴將處于凝固點(diǎn)附近的高粘、高凝原油切打碎，形成原油碎塊與水的混合物，然后通過另外一個(gè)端口將油水混合物輸送到高壓輸油泵的吸入口內(nèi)，由管輸高壓泵完成對(duì)油水混合物的加壓輸送；原油增壓泵的主要作用是將高粘、高凝原油輸送至油水混合罐內(nèi)，在高壓水噴嘴處完成破碎。由于高粘、高凝原油在凝固點(diǎn)附近時(shí)粘度很高，因而在本次試驗(yàn)中采用螺桿泵作為輸送設(shè)備。螺桿泵輸送高粘、高凝原油的優(yōu)點(diǎn)是，通過螺桿泵輸送過程中對(duì)高粘、高凝原油的擠壓、剪切作用，也可以使高粘、高凝原油的粘度有所下降，這樣就大大降低了高粘、高凝原油分子之間的相互作用力，更加有利于水力切割。

在本實(shí)驗(yàn)過程中，用于水力切割的水樣是自來水，高粘、高凝原油的粘度為500 mPa/s～1500 mPa/s范圍內(nèi)的復(fù)配原油樣品。

2.2.2.不同原油粘度下的水力切割實(shí)驗(yàn)

這個(gè)試驗(yàn)的主要目的是將高粘、高凝原油配置成不同粘度樣品，研究其在同一水壓的沖擊切割下樣品在水中所呈現(xiàn)的形態(tài)。試驗(yàn)中所配置的樣品粘度如表1所示：

Table 1.List of crude oil sampleswith different viscosities (50℃)表1.不同粘度原油樣品一覽表(50℃)

試驗(yàn)采用的水壓為0.1 Mpa (表壓)，噴嘴選用的是直徑為1 mm 的噴嘴，水介質(zhì)采用清水，水溫為18℃～25℃，為了了解高于凝固點(diǎn)和低于凝固點(diǎn)兩種情況下高粘、高凝原油在水力沖擊下得到的形態(tài)，將原油樣品溫度為分成高于凝固點(diǎn)5℃和低于凝固點(diǎn)5℃分別進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示；

Table 2.List of hydraulic cutting experiments of crude oil with different viscosity and freezing point (Water temperature 18℃)表2.不同粘度、凝固點(diǎn)的原油水力切割實(shí)驗(yàn)情況一覽表(水溫18℃)

從表2中對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的描述可以看出，當(dāng)實(shí)驗(yàn)樣品的粘度較低時(shí)，水的溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不大。但是當(dāng)實(shí)驗(yàn)樣品的粘度和凝固點(diǎn)較高時(shí)，實(shí)驗(yàn)水溫對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大。分析導(dǎo)致上述結(jié)果的原因，主要有以下幾點(diǎn)：一是由于原油粘度和凝固點(diǎn)較低時(shí)，原油分子之間的粘滯力較小，在水力沖擊的作用下，比較容易被撕裂形成絮狀物；而在原油的粘度和凝固點(diǎn)較高時(shí)，由于水溫較低，在沖擊原油樣品后，迅速降低了原油樣品的溫度，導(dǎo)致樣品迅速凝固成較硬的塊狀，因而形成了較多的小顆粒塊狀原油。針對(duì)這個(gè)現(xiàn)象，重新加大了水的沖擊壓力，由原來的0.1 Mpa 上調(diào)至0.2 Mpa 進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，其它情況不變。結(jié)果如表3所示：

Table 3.List of hydraulic cutting experiments of crude oil with different viscosity and freezing point (Water temperature 18℃)表3.不同粘度、凝固點(diǎn)的原油水力切割實(shí)驗(yàn)情況一覽表(水溫18℃)

試驗(yàn)表明，在增加了噴射壓力后，幾組實(shí)驗(yàn)中絮狀樣品顯著增加，塊狀樣品明顯降低，分析原因，主要是由于當(dāng)噴射壓力增加后，增加了攪動(dòng)和沖擊力，使得破碎效果明顯好轉(zhuǎn)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證高粘、高凝原油在不同的水溫和壓力作用下切割的效果，還增加了25℃、30℃、35℃、0.3 Mpa、0.4 Mpa 等條件下的切割破碎實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)溫度高于35℃時(shí)，壓力大于0.3 Mpa 時(shí)形成了部分乳狀液。由于篇幅所限，實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)表不在這里一一列舉。

水力切割試驗(yàn)表明：當(dāng)水溫較低，高粘、高凝原油的溫度在其凝固點(diǎn)以上時(shí)，切割的效果較好，大部分形成了絮狀原油懸浮于水中，這為下一步高壓開采奠定了良好基礎(chǔ)。

2.2.3.靜止絮凝實(shí)驗(yàn)

為了保證切割后的高粘、高凝原油能夠順利的開采到達(dá)地面，需要對(duì)切割后的樣品做靜止絮凝實(shí)驗(yàn)，以便確切的了解切割后的高粘、高凝原油是否在靜止?fàn)顟B(tài)下產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象。所謂絮凝現(xiàn)象是指高粘、高凝原油在被切割成絮狀或者小顆粒懸浮狀態(tài)后，由于原油分子之間存在一定的吸引力，在靜止條件下重新絮凝成較大塊狀原油的現(xiàn)象，這對(duì)于高粘、高凝原油間隔開采具有重要的意義。由于高粘、高凝原油的產(chǎn)量限制，導(dǎo)致開采過程中需要間隔采油，常規(guī)加熱法開采過程中需要間隔開采時(shí)，就需要在停抽后作清管處理，防止高粘、高凝原油在油管中凝固導(dǎo)致油管“灌腸”現(xiàn)象的發(fā)生。為了防止被切割成絮狀或者小顆粒的高粘、高凝原油在間歇生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大塊油塊形成油管堵塞現(xiàn)象，進(jìn)行了靜止絮凝實(shí)驗(yàn)。

事實(shí)上，靜止絮凝實(shí)驗(yàn)就是將切割后的高粘、高凝原油放置在透明的玻璃容器內(nèi)，靜止放置一段時(shí)間，觀察其絮凝情況，表4中列出了不同含水量的水油混合物在靜置30 min、60 min、2小時(shí)、4小時(shí)、8小時(shí)、16小時(shí)、24小時(shí)后的原油絮凝現(xiàn)象。

Table 4.List of standing flocculation experiments for high viscosity and high pourablecrude oil after cutting 表4.高粘、高凝原油切割后靜置絮凝實(shí)驗(yàn)情況一覽表

從表4中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)含水量為30%時(shí)，靜置4小時(shí)后有輕微的絮凝現(xiàn)象；含水達(dá)到40%時(shí)，靜置8小時(shí)后才出現(xiàn)絮凝現(xiàn)象；當(dāng)含水大于50%時(shí)，絮凝現(xiàn)象基本消失。這說明，當(dāng)含水量較低時(shí)，由于被切割成絮狀或者小顆粒的高粘、高凝原油分子之間距離較近，因而產(chǎn)生的引力也較強(qiáng)。當(dāng)含水量逐漸上升時(shí)，分子之間的距離相對(duì)增加，吸引力相應(yīng)降低，故產(chǎn)生絮凝的時(shí)間就會(huì)增加。

通過試驗(yàn)表明，為了提高輸油效率，又要防止絮凝現(xiàn)象的發(fā)生，將開采時(shí)含水量設(shè)置為40%～60%時(shí)為最優(yōu)。

2.2.4.管壁親油試驗(yàn)

在常規(guī)加熱法開采過程中，當(dāng)溫度降低時(shí)，由于原油內(nèi)蠟的析出，常常導(dǎo)致油管內(nèi)產(chǎn)生蠟堵現(xiàn)象，這就是由于油管內(nèi)壁親油，導(dǎo)致析出的蠟結(jié)晶能夠輕易的附著在油管內(nèi)壁上，形成積蠟堵塞。那么經(jīng)過切割后的絮狀高粘、高凝原油是否也會(huì)出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象呢？為了深入研究這個(gè)問題，進(jìn)行了油管內(nèi)壁親油實(shí)驗(yàn)。

圖3是管壁親油試驗(yàn)流程圖，油管采用的是現(xiàn)場常用的油管，將油管焊接形成一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，中間安裝一個(gè)循環(huán)泵。

Figure 3.Schematic diagram of the lipophilic test device for the inner wall of the tubing 圖3.油管內(nèi)壁親油試驗(yàn)裝置示意圖

將切割后的高粘、高凝原油與水的混合物通過循環(huán)泵不間斷的在管線內(nèi)循環(huán)，經(jīng)過一段時(shí)間的循環(huán)后，檢查管線內(nèi)壁原油的沉積情況。

實(shí)驗(yàn)按照不同含水情況和循環(huán)時(shí)間進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示：

Table 5.Lipophilic test of pipe wall under different water content and circulation time表5.不同含水和循環(huán)時(shí)間下的管壁親油試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，含水率較高時(shí)，管壁內(nèi)沒有原油的沉積現(xiàn)象，當(dāng)樣品含水率較低時(shí)，有輕微的原油掛壁現(xiàn)象。

事實(shí)上，水力切割法高粘、高凝原油的開采過程中，由于高粘、高凝原油經(jīng)過水力切割后，同時(shí)降溫凝固，因而在整個(gè)上升過程中原油內(nèi)的蠟不再析出，因此不存在蠟堵的情況。但是由于管線內(nèi)壁粗糙度的影響，導(dǎo)致部分絮狀原油鉤掛在管壁上形成少許的積油現(xiàn)象，這種現(xiàn)象當(dāng)產(chǎn)量較大時(shí)，混合液流速較快，這種現(xiàn)象就會(huì)減輕或者消失。另外，如果加入少許水潤濕表面活性劑，即可完全消除原油掛壁的現(xiàn)象。

3.結(jié)論

綜上所述，水力切割法開采工藝技術(shù)是一項(xiàng)全新的抽油開采工藝技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施，將會(huì)大大降低其它開采方式的成本，簡化開采工藝流程。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該項(xiàng)技術(shù)可操作性強(qiáng)，成本低廉，在含水率一定時(shí)不易產(chǎn)生絮凝結(jié)塊的現(xiàn)象，具有良好的推廣價(jià)值和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。