摘要

為深入研究添加表面活性劑后油水兩相的流動(dòng)規(guī)律,采用自主研發(fā)的垂直管流裝置,實(shí)驗(yàn)研究加表面活性劑后界面張力低于 1 mN/ m 條件下持水率、混合流速等對(duì)重油(密度大于 1. 0 g / cm 3 )-水兩相流動(dòng)型態(tài)的影響,并建立流動(dòng)型態(tài)圖版。 基于漂移流模型建立加劑后重油-水兩相流動(dòng)型態(tài)轉(zhuǎn)變界限方程。 結(jié)果表明:8 種流動(dòng)型態(tài)在較低的持水率下,分散相液滴更易被拉長(zhǎng),且 2 種或 2 種以上流態(tài)共存;加劑后混合流速越大、持水率越高,乳狀液形成時(shí)間越短,經(jīng)歷的流型也越少;計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度超過(guò) 90%。

重油冷采主要采用降黏劑,使用水溶性好的表面活性劑配制成一定濃度的水溶液,添加到重油中, 形成O/W型乳狀液。化學(xué)降黏劑室內(nèi)降黏效果與實(shí)際井筒降黏效果差距較大,根本原因是對(duì)加入表面活性劑后復(fù)雜流體井筒舉升流動(dòng)規(guī)律認(rèn)識(shí)不清。在垂直上升的液-液流動(dòng)中,觀察到的流動(dòng)型態(tài)一般可分為6種主要類型,即分散流、泡沫流、段塞流、彈狀流、中心環(huán)狀流和擾動(dòng)流。一般認(rèn)為,影響油水兩相流型的因素很多,包括流體性質(zhì) (如密度、黏度、表面或界面張力、相互溶解度等)、管道性質(zhì)(如幾何形狀、尺寸和管道方向)以及工況 (如溫度、壓力、流向、流量、流量比等)。目前對(duì)于油水兩相流動(dòng)型態(tài)的影響規(guī)律研究普遍采用油水界面張力在20~34mN/m,形成的油-水多相流的分類、流型圖、流型轉(zhuǎn)變機(jī)制等建立在物性簡(jiǎn)單、密度較低的油相基礎(chǔ)上。筆者采用自主研發(fā)的垂直管流裝置,實(shí)驗(yàn)研究加入表面活性劑對(duì)重油水兩相垂直管流流動(dòng)型態(tài)的影響機(jī)制,油水界面張力小于1mN/m,建立加入表面活性劑條件下重油水流動(dòng)型態(tài)圖版,分析油水乳狀液在垂直管流過(guò)程中的形成規(guī)律, 推導(dǎo)流型轉(zhuǎn)變界限方程。

1 材料及儀器

材料:油相為透明環(huán)烷油(30℃ 時(shí)黏度為581mPa·s,密度為1.889g/cm 3),一種主要由環(huán)烷烴組成的石油組分,包括環(huán)戊烷、環(huán)己烷及其同系物, 以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.894%的氯,濟(jì)南丹龍化工有限公司;原油樣品,塔河油田;水相為自來(lái)水(密度為1.03g/cm 3);亞甲基藍(lán),北京博恩試劑有限公司;曲拉通-100表面活性劑,北京博恩試劑有限公司; SDG-2水溶性復(fù)合降黏劑,實(shí)驗(yàn)室自制。

儀器: EZ-Pi Plus便攜式動(dòng)態(tài)表面張力儀,芬蘭Kibron公司;垂直管流裝置(實(shí)驗(yàn)室自制),海安石油科研儀器有限公司。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 界面張力(IFT)的測(cè)定

采用懸滴法,將裝有油樣的樣品池放置在油浴內(nèi),油浴鍋內(nèi)硅油的界面低于樣品池中油樣的界面, 以便能夠通過(guò)攝像技術(shù)觀察到水滴的界面形變,通過(guò)界面張力計(jì)測(cè)定油/水界面張力。油/水界面張力測(cè)定的溫度為30℃,每次測(cè)量時(shí)間為3h,直到界面張力穩(wěn)定,測(cè)量至少重復(fù)3次。

2.2 流型觀測(cè)實(shí)驗(yàn)條件與步驟

在長(zhǎng)2.00m、內(nèi)徑0.01m的不銹鋼管內(nèi)進(jìn)行油水兩相垂直向上流動(dòng)測(cè)量,管長(zhǎng)、直徑比(L/D)為100,垂直管流裝置流程圖如圖1所示。 Bergman等提出完全發(fā)展的流動(dòng)是指由于流體顆粒和管壁之間的剪切應(yīng)力引起的黏性效應(yīng),當(dāng)流體穿過(guò)一定長(zhǎng)度(定義為進(jìn)水特征長(zhǎng)度)的直管時(shí),流體產(chǎn)生完全發(fā)展的速度分布。因?yàn)楸疚闹性谡麄€(gè)實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)油和水都處于層流狀態(tài)。在層流的情況下, 進(jìn)水特征長(zhǎng)度計(jì)算公式為

Lh / D = 0. 05Re. (1)

式中, Lh 為進(jìn)水特征長(zhǎng)度,m;Re 為雷諾數(shù);D 為管道的直徑,m。

計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)于水和油雷諾數(shù)最大值的 L h/D 分別為0.143和75,均低于實(shí)驗(yàn)的 L/D 值200,說(shuō)明在本文中操作條件下,可以達(dá)到完全發(fā)展流動(dòng)。

圖1 垂直管流裝置流程

實(shí)驗(yàn)步驟:將油通過(guò)注入泵A泵入循環(huán)泵中, 將循環(huán)泵中的油通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)活塞移動(dòng)以一定的流速注入垂直管道,同時(shí)利用注入泵B將容器B中的表面活性劑水溶液通過(guò)注入點(diǎn)泵入垂直管道中的上升油流中,注水管段直徑0.003m,位于垂直上升管的底部,注入點(diǎn)的幾何形狀見(jiàn)圖2。

當(dāng)循環(huán)泵中的活塞從一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)時(shí),一組實(shí)驗(yàn)過(guò)程結(jié)束。入口持水率 Y w 由0至90%可計(jì)算如下:

Yw = Qw / ( Qw +Qo ) . (2)

式中,Qw 和 Qo 分別為水和油的流量,m3 / s。

圖2 將水注入主要測(cè)試管段的注入點(diǎn)

油、水流量測(cè)定及實(shí)驗(yàn)條件:在固定的入口持水率、溫度和壓力條件下,當(dāng)流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),通過(guò)高速攝像和電導(dǎo)探針技術(shù)對(duì)流動(dòng)型態(tài)進(jìn)行觀察和記錄,每個(gè)流動(dòng)條件持續(xù)10min。