張宇睿，陳小榆 （油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室 （西南石油大學(xué)），四川 成都610500）

岳川川 （新疆石油工程建設(shè)有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依834000）

舒小波，吳婷婷 （油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室 （西南石油大學(xué)），四川 成都610500）

隨著油田開發(fā)的深入，我國大部分油田在經(jīng)過多年的連續(xù)注水開采后，已進入高含水后期，其中以大慶油田為首的油田其含水量已達到80%以上［1］。同時，為了降低輸送介質(zhì)的黏度，在稠油集輸過程中，常采用摻水和摻?。?］。隨著原油中水相含量的增加，應(yīng)用原有低含水原油的流變性理論和計算已經(jīng)不能滿足高含水原油流變特性的計算，因此需針對高含水原油的流變特性進行重新研究以滿足工程需要。目前國內(nèi)對高含水原油流變特性進行的分析僅得出其表觀黏度與原油溫度、含水率的關(guān)系，而沒有得出與溫度、含水率和剪切速率的綜合關(guān)系。在原油集輸過程中，如水頭損失的計算需要用到原油黏度，因此必須研究高含水原油的黏溫綜合關(guān)系式［3～5］。

利用M5500高溫高壓流變儀，研究了南陽油田某區(qū)塊典型井口摻水原油黏度與溫度、剪切速率與含水率之間的關(guān)系，并擬合了黏度與含水率、溫度和剪切速率的綜合關(guān)系式。擬合公式計算的黏度值與實際測量值相差不大，準確性較高，為高含水原油集輸工藝設(shè)計提供了計算依據(jù)。

1 試驗部分

1．1 油樣配備

根據(jù)各井口含水率情況，配制不同含水率的油樣。用天平稱取適量井口原油油樣到磨口瓶中，根據(jù)所需配制的含水率，稱取適量水摻入原油中，并將配制的油樣攪拌均勻，作為測試的基礎(chǔ)油樣。各井口不同含水率所稱油樣重量及所需摻水量見表1。

表1 各井口不同含水率所取油樣質(zhì)量及摻水量

1．2 試驗儀器

試驗中采用的流變儀是美國M5500高溫高壓流變儀，用于測量小容量試樣，通過模擬工藝條件測試其流變性。主要的技術(shù)參數(shù)為：①溫度范圍－20～500℉；②剪切速率0．00004～1870s－1；③分辨率0．01%；④頻率50Hz或60Hz。

2 黏度與含水率、溫度和剪切速率的關(guān)系

2．1 黏度與含水率的關(guān)系

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，分別得到了A井、B井和C井在剪切速率為60s－1時，不同溫度下表觀黏度與含水率之間的關(guān)系，如圖1所示。

由圖1可知，A井和B井在各種溫度條件下，黏度隨含水率的變化均有一個明顯的轉(zhuǎn)折點，稱其為轉(zhuǎn)相點［6，7］。當含水率小于轉(zhuǎn)相點時，間隔較大的分散相 （水）液滴的相互作用要通過連續(xù)相 （油）表現(xiàn)，隨著含水率的不斷增加，分散相液滴不斷增多，兩相間的表面也增大，液滴之間將發(fā)生相互碰撞和滑動，由于液滴之間運動的增強以及相間表面能的影響，原油黏度迅速上升。當含水率上升達到臨界值時，原油黏度達到最大，并開始發(fā)生轉(zhuǎn)相。隨著含水率的繼續(xù)增大，當其超過轉(zhuǎn)相點后，分散相（水）開始變?yōu)檫B續(xù)相，而連續(xù)相 （油）開始變?yōu)榉稚⑾啵纬伤托秃?，從而使得原油的黏度迅速下降。同時，黏度與含水率的關(guān)系曲線要受到溫度的影響，隨著溫度的升高，轉(zhuǎn)相點的黏度急劇降低，但由于連續(xù)相 （水）的黏度受溫度的影響較小，溫度對轉(zhuǎn)相后原油黏度的影響也越來越小。一般來說，原油組分不同，其轉(zhuǎn)相點也不相同。C井的井口油樣由于含水率達到68．8%，已經(jīng)過了轉(zhuǎn)相點，因此隨著含水率的增加，黏度呈下降的趨勢。

當各井在其余剪切速率 （40、50、70、80、90、100s－1）時，不同溫度下黏度與含水率的關(guān)系與圖1相似，即A井在含水率40%，B井在60%時有一個明顯的轉(zhuǎn)折點，C井沒有明顯轉(zhuǎn)折點。

圖1 不同溫度下各井油樣黏度與含水率關(guān)系曲線

2．2 黏度與溫度、剪切速率的關(guān)系

溫度是影響?zhàn)ざ鹊囊粋€重要因素，圖2～6給出了A井不同含水率和剪切速率下，黏度隨溫度的變化曲線。由圖2～6可知，黏度在很大程度上取決于溫度，在低溫下，表觀黏度比在高溫下大，這是由于低溫條件下蠟晶的增多和聚集，因此在35～45℃下進行升溫降黏，可減小管道阻力，從而實現(xiàn)經(jīng)濟集輸。

黏度不僅與溫度有關(guān)，還受到剪切速率的影響［8～10］。由圖2～6可知，在35～45℃，表觀黏度隨著剪切速率的增大而減小，呈現(xiàn)出剪切稀釋的特點，且剪切速率越小，曲線越陡。因為含水原油的分散相液滴在剪切速率較低時，會通過相互作用形成絮凝體，從而體系表現(xiàn)出高的黏度；剪切速率的增加，破壞了絮凝體的尺寸，使其不斷減小直至完全破碎，因此體系的表觀黏度也隨之變小，最終剪切速率將不再對黏度產(chǎn)生影響，即此時含水原油呈現(xiàn)出牛頓流體的流變特點。35℃時剪切速率對表觀黏度有較大的影響，隨著溫度的升高，其對表觀黏度的影響逐漸減小，當溫度達到45℃后，各剪切速率下的黏溫曲線逐漸重疊，此時，黏度將不再受剪切速率的影響，這是因為在低溫條件下，蠟晶析出并不斷聚集，同時較慢的布朗運動也有助于絮凝體的形成，從而使得含水原油黏度大；但隨著溫度的升高，布朗運動加劇，絮凝體破碎，粒子間引力減小，蠟晶溶解，含水原油黏度降低，即含水原油的流變性越來越接近牛頓流體。

圖2 A井含水率15．1%的原油黏溫曲線

圖3 A井含水率40%的原油黏溫曲線

圖4 A井含水率60%的原油黏溫曲線

圖5 A井含水率80%的原油黏溫曲線

圖6 A井含水率90%的原油黏溫曲線

3 高含水原油黏溫綜合關(guān)系式

3．1 模型的建立

將黏度與含水率、溫度和剪切速率的數(shù)據(jù)進行綜合分析回歸以更好地研究它們之間的關(guān)系。利用軟件首先通過多元線性回歸確定參數(shù)初始值，選擇線性回歸方程［11］為：

然后借助通用線性模型（方差分析）確定二次項，即在原有的線性回歸方程的基礎(chǔ)上增加了溫度分別與含水率、剪切速率的乘積以及各個變量的平方。最終確定回歸模型為：

式中：u為表觀黏度，mPa·s；fw為含水率，%；t為溫度，℃；γ為剪切速率，s－1；a、b、c、d、e、f、h、j、k為回歸系數(shù)。

3．2 高含水原油黏溫綜合關(guān)系式

分別對A井、B井、C井進行非線性擬合，擬合結(jié)果見表2。

表2 各井黏溫綜合關(guān)系式

對A井，當fw＜40%時，公式的擬合優(yōu)度R2＝0．998；當fw≥40%時，公式的擬合優(yōu)度R2＝0．983。對B井，當fw＜60%時，公式的擬合優(yōu)度R2＝0．959；當fw≥60%時，公式的擬合優(yōu)度R2＝0．933。對C井，即fw≥68．8%時，其公式的擬合優(yōu)度R2＝0．907。

分別將A井、B井、C井擬合出的公式所計算出的表觀黏度值與原始測量值進行對比，結(jié)果如圖7所示 （以剪切速率60s－1，溫度40℃時為例）。

圖7 各井表觀黏度與含水率關(guān)系對比圖

由圖7可知，A井、B井、C井在剪切速率60s－1和溫度40℃時，通過方程計算的不同含水率下的表觀黏度值與測量值相差不大。其余剪切速率和溫度下的對比圖在此不重復(fù)給出，它們均與圖7所得的結(jié)果相似，即計算值與測量值相差不大，故擬合的方程合理，準確性較高。

4 結(jié) 論

1）A井、B井含水原油存在一個轉(zhuǎn)相點，通過該次試驗研究，可得出A井原油轉(zhuǎn)相點在含水率為40%左右；B井原油轉(zhuǎn)相點在含水率為60%左右。由于試驗數(shù)據(jù)有限，轉(zhuǎn)相點與實際值可能存在偏差。

2）較低溫度時，剪切速率對表觀黏度有較大的影響，隨著溫度的升高，其對表觀黏度的影響逐漸減小，因此，在較低溫度下啟動輸油管道是十分不利的。

3）根據(jù)試驗數(shù)據(jù)回歸出3口井的黏溫綜合關(guān)系式，用該公式計算的黏度值與實際測量值相差不大，擬合方程合理，準確性較高。

4）轉(zhuǎn)相點后，連續(xù)相為水的水包油型含水原油黏度低，在輸送過程中損耗的能量比連續(xù)相為油的油包水型含水原油少，因此從經(jīng)濟集輸?shù)慕嵌瓤紤]，建議該區(qū)塊應(yīng)盡量輸送連續(xù)相為水的水包油型含水原油。

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