3.3 加劑后垂直管道水包油乳狀液形成規律

在垂直管流裝置中,控制油相流速0.12m/s, 使油相在管道中循環流動,通過注入泵將0.5%表面活性劑水溶液注入油流參與循環,使整個體系持水率為50%,觀察加入表面活性劑溶液后,在垂直管道中O/W乳狀液的形成過程：

50%持水率的表面活性劑水溶液加入油相中后,先以連續的擾動流流動型態穿過油相;到2min時,連續的水相逐漸分散、溶解,油珠穿插在連續的水相中,形成更明顯的攪拌狀流動;3min時,水相繼續分散,水相與油相形成油水界面膜,此時泡狀流出現(水泡放大10倍圖像見圖5 (a));5min時,部分水相與油相形成水包油乳狀液,透光性變差,水相與形成的水包油乳狀液以環狀流的形式在垂直管道中上升流動;7min時,更多的水包油乳狀液形成,少部分水相分散在水包油乳狀液中;8min完全形成O/W乳狀液(10倍放大圖見圖5(b))。

泡狀流時,水相在連續的油相中形成一個一個的水泡,說明表面活性劑降低油水表面自由能,使水泡穩定且均勻的分散在油相中;形成水包油乳狀液后,小油滴被水包裹,液滴尺寸明顯降低,分散度增加,穩定的存在在連續相中。

3.4 基于電阻探針法測量原油O/W乳狀液形成規律

由于實際原油不可視,可視觀察法難以得到實際原油油水兩相流動型態,為探索能夠測量原油油水兩相流動型態的方法,采用4組平行電阻探針,連接電阻率測量儀,固定溫度50℃,在混合流速為0.06m/s下,模擬油管76mm管徑中23.68m 3/d流量,通過電腦實時測量并記錄不同持水率(30%、 50%、70%)時,塔河原油在加入水溶性復合降黏劑SDG-2的條件下,水包油乳狀液形成過程中電阻值變化曲線,并分析該曲線所對應油水兩相流動型態。

持水率為30%時,加劑后油水兩相流動型態隨時間變化規律為:彈狀流—環狀流— 泡狀流—O/W乳狀液流動。彈狀流流型下,降黏劑水溶液以大段塞的形式存在于油相中,間歇式上升, 電阻探針信號變化明顯,呈周期式波動;當達到環狀流型時,降黏劑水溶液穿過油相中心,電阻探針信號波動明顯,表現為一段低值波動,一段高值波動;繼續循環運行一段時間,油水兩相流動型態轉變為泡狀流,電阻探針信號在小幅度范圍內振蕩,且振蕩頻率密集,每一個水泡接觸到探針,都會使信號向高頻值波動;當形成水包油乳狀液后,油滴均勻分散在水相中,水相為連續相,此時4組電阻探針顯示的電阻值會有幾秒鐘的持續時間,且保持在高電阻值附近, 不同時域存在電阻值的負脈沖波動,每次的負脈沖波動都說明有油滴穿過探針。從加入降黏劑水溶液到完全形成O/W乳狀液,共用時900s。

50%持水率條件下,4組探針信號顯示整個體系形成乳狀液過程為:環狀流—泡狀流—水包油乳狀液。持水率從30%增大到50%,不存在彈狀流,這是因為持水率增大,由于降黏劑降低油水界面張力作用,水相更易被油相“拉長”,成為長條形而非圓球形,從而形成中心是水相、接近管壁處為油相的水中心環狀流,流動一段時間后,環狀流流型逐漸被打破,水相以水滴的形式分散在油相中, 形成泡狀流,此時油水混合程度加大,繼續運行一段時間,整個體系形成O/W型乳狀液,從加入降黏劑到完全形成乳狀液共用時540s。

70%持水率條件下,四組探針信號顯示加劑后油水兩相流動型態為:擾動流—水包油乳狀液。擾動流型實際可看作是泡狀流、蠕狀流、環狀流的混合流型,因此擾動流的探針信號是泡狀流、蠕狀流、環狀流探針信號的集合,表現為高電阻值、低電阻值上下波動幅度大,且呈現一定持續時間。 70%持水率下,由于持水率增大,水相受油相徑向阻力增大,由于加入降黏劑的水溶液與油相界面張力降低,水相無法繼續保持環狀流,轉變為波動劇烈的擾動流,此流型下油水兩相更易形成O/W型乳狀液,整個過程共用時280s。

基于電阻探針法測量得到的油水乳狀液形成過程與透明可視觀察法得到的油水乳狀液形成過程基本相符,說明對于不可視的原油, 采用電阻探針法測量油水兩相流動規律具有一定可行性,為原油-水兩相流動規律的在線監測方法提供了理論依據。

3.5 油水兩相流動型態轉變界限方程

在油水兩相流動過程中,當油包水流動轉變為水包油流動,即相轉化發生,容易導致流體流變特性的突變;同時,液相與管道壁面的接觸方式及何種液相接觸管壁都會隨流型的變化而變化,從而對管道的腐蝕程度造成不同程度的影響,并且在反相點或其附近會產生動量、傳熱傳質和壓降的急劇變化。因此,相轉換是油水管道設計和運行中需要考慮的主要因素之一。基于漂移流模型,在運動波理論的基礎上通過分析分散相在連續相中的濃度分布隨持水率的變化關系,推導出油包水流型向水包油流型轉換的邊界方程,該方法已獲得國內外學者的認可。本文中采用數值劃分流型的方法,考慮到輕油水和摻表面活性劑條件下重油水兩相流動在持水率0~100%之間發生了相轉換現象,對常溫常壓下這兩種流動體系發生相轉換時的流型轉換界限方程進行分析。