稠油-水混輸停運管線再啟動力學響應特性研究

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(北京)石油工程學院，北京 102249；3.延安大學 石油工程與環(huán)境工程學院，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，原油重質化問題愈加嚴重，面對中輕質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)原油的轉變[1]，開采區(qū)域從陸地到近海、深水擴展[2-3]。而稠油高黏性引起再啟動問題亟需解決，稠油含膠質、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再啟動，近年僅見中科院許晶禹教授[3，6-7，14]團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研究，但適合稠油乳狀液的啟動應力模式，還需進一步系統(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。

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響應特性?；诹髯儍x系統(tǒng)測量其在恒定剪切速率條件下的剪切應力與時間的關系，擬合實驗數(shù)據(jù)建立啟動模型，繼而理論預測再啟動壓力。

1.2 實驗裝置

為驗證再啟動壓力預測的可靠性，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，關閉閥門4，并停泵及關閉閥門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力隨時間變化關系，發(fā)現(xiàn)啟動過程可分為剪切應力上升、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為實時壁面剪切應力，Pa；τmax為啟動最大應力，Pa；τ∞為平衡剪切應力，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為啟動最大應力所對應的時間，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

最大啟動應力所對應的時間ts，實際上該時間是流變儀軟件選擇所產(chǎn)生的剪切應力(或扭矩)的時間，即設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)生的剪切應力。故ts為流變儀匹配剪切速率與應力相對應所需要的時間，因此，ts不是油品自身性質的體現(xiàn)，所以在模型(1)的基礎上，設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力降至平衡應力所需的時間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，旋轉啟動應力計算式為

(3)

當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，旋轉啟動應力計算式為

(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，初始啟動時啟動應力將迅速達到最大值，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相關，離首端距離愈遠，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力沿管道長度的分布函數(shù)。

當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L/α≤t∞時，

(7)

故此工況條件下的啟動壓力

(8)

(2)當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，計算其理論預測值和相對誤差，結果見表2。圖3為再啟動壓力預測值與實測對比分析結果，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測值

圖3 不同條件下再啟動壓力預測值與實測值對比

3 結 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響應特性，初始啟動過程可分為啟動應力上升、衰減與平衡3個階段。

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

(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；將理論預測值與實驗測量值進行對比分析，平均絕對相對誤差為6.95%，有較好的吻合精度。