摘要

為深入研究添加表面活性劑后油水兩相的流動規律,采用自主研發的垂直管流裝置,實驗研究加表面活性劑后界面張力低于 1 mN/ m 條件下持水率、混合流速等對重油(密度大于 1. 0 g / cm 3 )-水兩相流動型態的影響,并建立流動型態圖版。 基于漂移流模型建立加劑后重油-水兩相流動型態轉變界限方程。 結果表明:8 種流動型態在較低的持水率下,分散相液滴更易被拉長,且 2 種或 2 種以上流態共存;加劑后混合流速越大、持水率越高,乳狀液形成時間越短,經歷的流型也越少;計算結果與實驗結果吻合度超過 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。化學降黏劑室內降黏效果與實際井筒降黏效果差距較大,根本原因是對加入表面活性劑后復雜流體井筒舉升流動規律認識不清。在垂直上升的液-液流動中,觀察到的流動型態一般可分為6種主要類型,即分散流、泡沫流、段塞流、彈狀流、中心環狀流和擾動流。一般認為,影響油水兩相流型的因素很多,包括流體性質 (如密度、黏度、表面或界面張力、相互溶解度等)、管道性質(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)。目前對于油水兩相流動型態的影響規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、流型轉變機制等建立在物性簡單、密度較低的油相基礎上。筆者采用自主研發的垂直管流裝置,實驗研究加入表面活性劑對重油水兩相垂直管流流動型態的影響機制,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型態圖版,分析油水乳狀液在垂直管流過程中的形成規律, 推導流型轉變界限方程。

1 材料及儀器

材料:油相為透明環烷油(30℃ 時黏度為581mPa·s,密度為1.889g/cm 3),一種主要由環烷烴組成的石油組分,包括環戊烷、環己烷及其同系物, 以及質量分數為4.894%的氯,濟南丹龍化工有限公司;原油樣品,塔河油田;水相為自來水(密度為1.03g/cm 3);亞甲基藍,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水溶性復合降黏劑,實驗室自制。

儀器: EZ-Pi Plus便攜式動態表面張力儀,芬蘭Kibron公司;垂直管流裝置(實驗室自制),海安石油科研儀器有限公司。

2 實驗方法

2.1 界面張力(IFT)的測定

采用懸滴法,將裝有油樣的樣品池放置在油浴內,油浴鍋內硅油的界面低于樣品池中油樣的界面, 以便能夠通過攝像技術觀察到水滴的界面形變,通過界面張力計測定油/水界面張力。油/水界面張力測定的溫度為30℃,每次測量時間為3h,直到界面張力穩定,測量至少重復3次。

2.2 流型觀測實驗條件與步驟

在長2.00m、內徑0.01m的不銹鋼管內進行油水兩相垂直向上流動測量,管長、直徑比(L/D)為100,垂直管流裝置流程圖如圖1所示。 Bergman等提出完全發展的流動是指由于流體顆粒和管壁之間的剪切應力引起的黏性效應,當流體穿過一定長度(定義為進水特征長度)的直管時,流體產生完全發展的速度分布。因為本文中在整個實驗條件范圍內油和水都處于層流狀態。在層流的情況下, 進水特征長度計算公式為

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

式中, Lh 為進水特征長度,m;Re 為雷諾數;D 為管道的直徑,m。

計算得到的對應于水和油雷諾數最大值的 L h/D 分別為0.143和75,均低于實驗的 L/D 值200,說明在本文中操作條件下,可以達到完全發展流動。

圖1 垂直管流裝置流程

實驗步驟:將油通過注入泵A泵入循環泵中, 將循環泵中的油通過伺服電機驅動活塞移動以一定的流速注入垂直管道,同時利用注入泵B將容器B中的表面活性劑水溶液通過注入點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,注入點的幾何形狀見圖2。

當循環泵中的活塞從一側移動到另一側時,一組實驗過程結束。入口持水率 Y w 由0至90%可計算如下:

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

式中,Qw 和 Qo 分別為水和油的流量,m3 / s。

圖2 將水注入主要測試管段的注入點

油、水流量測定及實驗條件:在固定的入口持水率、溫度和壓力條件下,當流動達到穩定狀態時,通過高速攝像和電導探針技術對流動型態進行觀察和記錄,每個流動條件持續10min。