曲兆光 劉春雨 萬宇飛 王文光 唐寧依 黃巖

中海石油(中國)有限公司天津分公司

據(jù)統(tǒng)計(jì)，渤海高黏原油儲量達(dá)27.3×108m3，占渤海油氣資源總儲量的68%。目前，渤海稠油動用儲量極低，隨著渤海常規(guī)原油的不斷開發(fā)，稠油作為一種特殊資源，將在渤海油田的上產(chǎn)增產(chǎn)方面發(fā)揮更加重要作用。比如，目前正在大力開發(fā)的墾利9-5/9-6油田、旅大5-2北油田、墾利9-1油田、旅大21-2油田、金縣1-1油田和綏中36-1油田等所產(chǎn)原油均為稠油，其中不乏黏度極高的特稠油和超稠油。

在海上油田前期研究階段，面對眾多的工程方案和輸送方案，需要對各種原油進(jìn)行摻混輸送，若每個方案均開展試驗(yàn)，將造成不必要的浪費(fèi)，更重要的是實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度將跟不上工程方案研究的進(jìn)度，影響項(xiàng)目的推進(jìn)。因此，為了更好地開展研究，需要對不同油品摻混后的黏溫特性進(jìn)行預(yù)測，以指導(dǎo)工程方案的制定。

針對油品混合后黏度的預(yù)測，國內(nèi)外學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸或半理論推導(dǎo)提出過很多經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)公式或計(jì)算圖表，但是目前還沒有一個普適模型，每個模型都有一定的工作范圍。而高黏油品的摻混，特別是黏度比相差很大的高黏油摻混則更為復(fù)雜[1]。當(dāng)前，常見的做法是對各油田油品分別評估現(xiàn)存模型的適用性，或?qū)ΜF(xiàn)存模型進(jìn)行修正以符合各油田油品的摻混預(yù)測[2]。

1 混合原油黏度預(yù)測模型

H.C.庫爾納柯夫于1900年提出，在室溫以上溫度下，液態(tài)烴產(chǎn)品與其他非極性組分混合物的黏度與組分黏度之間的關(guān)系呈非線性變化，其混合油黏度可以通過組分油黏度的不同函數(shù)的線性加和來表達(dá)，如式(1)。

式中:μm為混合油黏度，mPa·s;μi為組分油i的黏度，m Pa·s;Xi為組分油i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，ΣXi=1;f(μm)、f(μi)為混合油、組分油黏度的函數(shù)。

由于各地油品性質(zhì)、組分、密度等不同，難以找到一種普適的油品摻混黏度預(yù)測模型[3]，于是一些學(xué)者在大量實(shí)驗(yàn)或半理論的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)存的一些模型進(jìn)行修正，如利用兩種組分原油各占一半的混合原油黏度為基礎(chǔ)進(jìn)行修正而得到一些新的模型。根據(jù)黏度的函數(shù)形式不同，大體上可分為以下4類模型。

1.1 基于理想溶液的烴類混合物黏度預(yù)測模型

這類模型主要是基于純烴混合物理想溶液和熱力學(xué)性質(zhì)的混合規(guī)律得到，雖然僅適用于烴類物質(zhì)摻混的黏度預(yù)測，但為后續(xù)各類計(jì)算模型的出現(xiàn)提供參考。

1.1.1 Binham模型

1932年，Binham提出黏度的倒數(shù)具有加和性，并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如式(2)?？梢钥闯?，該模型預(yù)測精度會隨著組分油品的黏度比增大而顯著降低，特別不適合兩種組分油黏度相差大的油品混合后黏度的預(yù)測[4]。1992年，李闖文通過13組實(shí)驗(yàn)結(jié)果對該模型進(jìn)行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)結(jié)果并不理想，在此基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)模型，如式(3)。

Binham:

Binham修正:

式中:μm為混合油黏度，m Pa·s;μi為組分油i的黏度，mPa·s;Xi為組分油i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，ΣXi=1，i=1～n;Bjk、Cjk為考慮組分油間相互關(guān)系的常數(shù)。

1.1.2 Arrhenius模型

1887年，Arrhenius首次提出烴類混合物的黏度預(yù)測計(jì)算式，如式(4)。在該模型的基礎(chǔ)上，大量學(xué)者基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和處理，提出相應(yīng)的修正模型和演化模型[5]，其中典型的修正模型主要有3種:式(5)是在Arrhenius模型的基礎(chǔ)上考慮了組分油之間的相互作用而引入常數(shù)C12值，該改進(jìn)模型又稱為Grunberg-Nisson模型;式(6)～式(7)的修正是在Grunberg-Nisson模型的基礎(chǔ)上通過實(shí)驗(yàn)擬合后引進(jìn)系數(shù)B12，對組分油間相互作用的進(jìn)一步修正[6]，分別稱之為Arrhenius修正1、Arrhenius修正2模型。

Arrhenius:

Grunberg-Nissoon:

Arrhenius修正1:

Arrhenius修正2:

式中:μm為混合油黏度，m Pa·s;μ1、μ2為組分油黏度，m Pa·s;φ1、φ2為組分油體積分?jǐn)?shù);X1、X2為組分油質(zhì)量分?jǐn)?shù);B12、C12為考慮組分油間相互關(guān)系的常數(shù)。

1.1.3 Kendal-Monroe模型

以上兩種模型均不適合組分油黏度相差較大的情況，于是Kendal和Monroe對黏度相差較大的溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析，提出一種立方根加和性模型[7]，如式(8)。據(jù)API報道[8]，有學(xué)者曾利用1300組混合油測試結(jié)果對該模型進(jìn)行評價，結(jié)果顯示平均誤差僅為5.7%，預(yù)測效果明顯。

Kendal-Monroe:

式中:μm為混合油黏度，mPa·s;μi為組分油i黏度，m Pa·s;Xi為組分油i質(zhì)量分?jǐn)?shù)，ΣXi=1，i=1～n。

1.2 雙對數(shù)模型

雙對數(shù)模型是在稠油摻稀降黏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)在“質(zhì)量分?jǐn)?shù)-黏度雙對數(shù)”坐標(biāo)軸上組分油與混合油點(diǎn)之間呈線性分布[9]，如式(9)。該模型不適用于黏度指數(shù)相差較大和非牛頓混合油。為此，李闖文等利用新疆稠油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，引入相關(guān)參量，提高了雙對數(shù)模型的計(jì)算精度并克服不適用于非牛頓流體的特性，即雙對數(shù)修正1模型[10]，又叫李闖文模型，如式(10)。劉天佑等利用黏度差異較大的組分油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，引入表征組分油物性和摻混條件的參量而對雙對數(shù)模型修正，提出另外一種雙對數(shù)修正2模型，又叫劉天佑模型[11]，如式(11)。遼河油田和新疆油田部分區(qū)塊摻稀稠油黏度預(yù)測符合雙對數(shù)模型[12-14]。

雙對數(shù):

雙對數(shù)修正1:

雙對數(shù)修正2:

式中:μm為混合油黏度，m Pa·s;μi為組分油i黏度，mPa·s;Xi為組分油i質(zhì)量分?jǐn)?shù)，ΣXi=1，i=1～n;Bjk、Cjk為考慮組分油間相互關(guān)系的常數(shù)。

1.3 Cragoe模型

1933年，Cragoe基于大量油品摻混測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出表征油品流動能力的流函數(shù)L，并與油品黏度相關(guān)聯(lián)[15]，從而創(chuàng)造性地提出一種新的油品摻混黏度計(jì)算模型，如式(12)。據(jù)報道，該模型適用范圍較廣泛，可用于黏度比大于1000的情況[16]。

Cragoe:

Cragoe修正:

式中:μm為混合油黏度，mPa·s;μi為組分油i黏度，m Pa·s;Xi為組分油i質(zhì)量分?jǐn)?shù)，ΣXi=1，i=1～n;Lm、Li分別為混合油和組分油i流函數(shù);Cjk為考慮組分油間相互關(guān)系的常數(shù)。

自該模型提出后，在許多油品的摻混中得到很好的預(yù)測效果，但也有一些油品預(yù)測精度不容樂觀，于是許多學(xué)者提出較多的修正模型，其中效果較好的包括中國石油大學(xué)類比油品摻混凝點(diǎn)變化規(guī)律，得到Cragoe修正模型，如式(13)。據(jù)報道，該模型對1577個黏度點(diǎn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)牛頓流體黏度的計(jì)算偏差僅為7.2%，非牛頓流體黏度預(yù)測偏差為19.1%，預(yù)測精度滿足工程應(yīng)用要求[17]。萬宇飛等[18]利用新疆風(fēng)城特稠油和柴油實(shí)驗(yàn)結(jié)果反算出C值用于其他摻混比和溫度點(diǎn)的黏度預(yù)測，并取得理想結(jié)果。

1.4 Lederer模型與Shu模型

Lederer模型是基于Arrhenius模型演化而來，如式(14)。有學(xué)者利用黏度相差較大的油品摻混對該模型進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該模型特別適合于黏度比大的場合，甚至黏度比在103～108范圍內(nèi)仍具備較高的預(yù)測精度[19-20]。還有文獻(xiàn)表明，該模型適用于多相流動場合[21-23]，但該模型的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)α是通過一定的黏度數(shù)據(jù)擬合而來，所以應(yīng)用起來較為局限。印度學(xué)者Shu研究發(fā)現(xiàn)α(α=0～1)與組分油密度、黏度三者之間的關(guān)系式，從而使改進(jìn)后的Lederer模型(又叫Shu模型，如式(15))在應(yīng)用范圍和預(yù)測精度上均有較大的提高[24-25]。

Lederer:

Shu:

式中:μm為混合油黏度，mPa·s;μA、μB為組分油黏度，mPa·s;XA、XB為組分油質(zhì)量分?jǐn)?shù);α為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);δA、δB、△δ分別為組分油 A、B的密度和密度差，kg/m3。

2 模型計(jì)算與比較

墾利油田群位于渤海南部海域，經(jīng)多年開發(fā)，周邊已建立多座平臺和相應(yīng)的海底管線。新油田在開發(fā)研究過程中需對周邊各種依托可能性進(jìn)行研究，即該稠油與周邊各油田油品摻混后外輸至FPSO或陸上終端儲存。這就需要對各種方案開展實(shí)驗(yàn)，研究摻混不同油品的黏溫特性。若一一開始實(shí)驗(yàn)，會嚴(yán)重影響油田的開發(fā)進(jìn)程，造成不必要的人力和財力浪費(fèi)。其可行的方法是研究該油田原油摻混黏度相關(guān)規(guī)律，通過計(jì)算預(yù)測摻混后黏度數(shù)據(jù)，用于依托海管的計(jì)算。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

墾利油田群中某待開發(fā)油田A所產(chǎn)原油黏度較高，50℃下黏度為2700 mPa·s，擬采用依托周邊油田開發(fā)。選取周邊可能被依托開發(fā)的3個不同黏度梯隊(duì)的稀油油田原油(稱為稀油a、稀油b和稀油c)作為組分油。按照各油田產(chǎn)油量配比，分別與墾利油田A原油摻混，利用HAAKE MARS高溫高壓流變儀及配套溫控器對混合原油進(jìn)行測量，各組分油黏溫特性如圖1～圖2所示。

2.2 不同模型預(yù)測結(jié)果與偏差

分別利用上文提到的各模型對目標(biāo)油品摻混后的黏度進(jìn)行預(yù)測，并將預(yù)測結(jié)果與實(shí)測值相比較，評估各模型的預(yù)測效果，結(jié)果如圖3～圖5所示。值得注意的是，由于部分模型預(yù)測偏差較大，甚至超過100%，圖3～圖5中僅顯示預(yù)測偏差相對較小的模型結(jié)果。其中，定義相對偏差RD=100%×(實(shí)測值-預(yù)測值)/實(shí)測值，平均相對偏差

從圖3～圖5可以看出:①各模型預(yù)測效果隨溫度升高而提高，絕大多數(shù)模型在低溫時，預(yù)測相對偏差超過20%，不能滿足工程計(jì)算的需要;②各模型對于不同油品摻混后黏度預(yù)測表現(xiàn)出不同的效果，需要對多組油品的摻混黏度進(jìn)行評價;③各模型中修正模型的預(yù)測精度一般高于原始模型，說明修正模型中引入的系數(shù)在一定程度上能夠反映不同地區(qū)的油品特征;④對于稀油a與墾利油田A稠油摻混后黏度預(yù)測來說，Arrhenius修正2、Cragoe修正和雙對數(shù)修正1模型預(yù)測效果較好;對于稀油b與墾利油田A稠油摻混后黏度預(yù)測來說，雙對數(shù)修正1、雙對數(shù)修正2、Cragoe、Cragoe修正、Arrhenius修正1、Arrhenius修正2和Grunberg-Nisson模型預(yù)測精度較高;對于稀油c與墾利油田A稠油摻混后黏度預(yù)測來說，雙對數(shù)修正2、Cragoe修正、Arrhenius修正1和Arrhenius修正2模型預(yù)測能力能夠滿足工程實(shí)際需要。

將各模型對3種稀油分別與墾利油田A稠油摻混后黏度預(yù)測結(jié)果的相對偏差取平均值，得到各模型預(yù)測的平均相對偏差(見表1)。從表1可看出，Cragoe修正模型和Arrhenius修正2模型在3種油品的摻混下均表現(xiàn)出較高的預(yù)測精度，從工程的角度來說，均可以滿足實(shí)際需要。但評價一個模型時，希望模型具有較好的預(yù)測穩(wěn)定性，即平均相對偏差對不同油品預(yù)測精度變化幅度較小，從Cragoe修正模型和Arrhenius修正2模型來看，Arrhenius修正2模型平均相對偏差范圍為4.72%～6.21%，小于Cragoe修正模型的3.43%～8.75%，即Arrhenius修正2模型預(yù)測穩(wěn)定性較強(qiáng)。綜上所述，推薦Arrhenius修正2模型作為墾利油田A稠油與周邊稀油摻混后黏度預(yù)測的模型。

表1 各稀油與墾利油田A稠油摻混油黏度預(yù)測平均相對偏差Table 1 Average relative deviation of viscosity prediction of Kenli viscous crude-solvent mixtures %

3 結(jié)論

在海上油田依托式開發(fā)研究過程中，需要對周邊各種油品摻混外輸方案進(jìn)行研究，從研究效率和經(jīng)濟(jì)性角度來說，尋找一種適合于本油田的黏度預(yù)測模型較一一開展摻混實(shí)驗(yàn)更加可取。首先調(diào)研了國內(nèi)外油品摻混黏度預(yù)測模型，然后以渤海墾利油田群中新開發(fā)稠油油田原油為基礎(chǔ)，摻混周圍可能的3種稀油進(jìn)行預(yù)測，并將預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較分析，認(rèn)為:

(1)常見典型的混合油黏度預(yù)測模型中，相關(guān)常數(shù)(如Cragoe中C值，Lederer中α值)表征原油性質(zhì)，對于不同地區(qū)或組分相差較大的原油應(yīng)有所區(qū)別。

(2)各修正模型主要考慮了組分油之間的相互關(guān)系，使得其預(yù)測精度較原始模型高，在本研究中得到一定程度的驗(yàn)證。

(3)各模型對墾利油田A稠油與3種稀油摻混后的黏度預(yù)測效果普遍隨溫度的降低而惡化，在較高溫度下預(yù)測精度相對較高。

(4)Cragoe修正模型和Arrhenius修正2模型對目標(biāo)油品的摻混均有較高的預(yù)測精度，能滿足工程實(shí)際的需要。

(5)綜合考慮預(yù)測精度和預(yù)測穩(wěn)定性，推薦Arrhenius修正2模型作為墾利油田A稠油與周邊稀油摻混后黏度的預(yù)測模型。