摘要

为深入研究添加表面活性剂后油水两相的流动规律,采用自主研发的垂直管流装置,实验研究加表面活性剂后界面张力低于 1 mN/ m 条件下持水率、混合流速等对重油(密度大于 1. 0 g / cm 3 )-水两相流动型态的影响,并建立流动型态图版。 基于漂移流模型建立加剂后重油-水两相流动型态转变界限方程。 结果表明:8 种流动型态在较低的持水率下,分散相液滴更易被拉长,且 2 种或 2 种以上流态共存;加剂后混合流速越大、持水率越高,乳状液形成时间越短,经历的流型也越少;计算结果与实验结果吻合度超过 90%。

重油冷采主要采用降黏剂,使用水溶性好的表面活性剂配制成一定浓度的水溶液,添加到重油中, 形成O/W型乳状液。化学降黏剂室内降黏效果与实际井筒降黏效果差距较大,根本原因是对加入表面活性剂后复杂流体井筒举升流动规律认识不清。在垂直上升的液-液流动中,观察到的流动型态一般可分为6种主要类型,即分散流、泡沫流、段塞流、弹状流、中心环状流和扰动流。一般认为,影响油水两相流型的因素很多,包括流体性质 (如密度、黏度、表面或界面张力、相互溶解度等)、管道性质(如几何形状、尺寸和管道方向)以及工况 (如温度、压力、流向、流量、流量比等)。目前对于油水两相流动型态的影响规律研究普遍采用油水界面张力在20~34mN/m,形成的油-水多相流的分类、流型图、流型转变机制等建立在物性简单、密度较低的油相基础上。笔者采用自主研发的垂直管流装置,实验研究加入表面活性剂对重油水两相垂直管流流动型态的影响机制,油水界面张力小于1mN/m,建立加入表面活性剂条件下重油水流动型态图版,分析油水乳状液在垂直管流过程中的形成规律, 推导流型转变界限方程。

1 材料及仪器

材料:油相为透明环烷油(30℃ 时黏度为581mPa·s,密度为1.889g/cm 3),一种主要由环烷烃组成的石油组分,包括环戊烷、环己烷及其同系物, 以及质量分数为4.894%的氯,济南丹龙化工有限公司;原油样品,塔河油田;水相为自来水(密度为1.03g/cm 3);亚甲基蓝,北京博恩试剂有限公司;曲拉通-100表面活性剂,北京博恩试剂有限公司; SDG-2水溶性复合降黏剂,实验室自制。

仪器: EZ-Pi Plus便携式动态榴莲视频APP下载最新版本,芬兰Kibron公司;垂直管流装置(实验室自制),海安石油科研仪器有限公司。

2 实验方法

2.1 界面张力(IFT)的测定

采用悬滴法,将装有油样的样品池放置在油浴内,油浴锅内硅油的界面低于样品池中油样的界面, 以便能够通过摄像技术观察到水滴的界面形变,通过界面张力计测定油/水界面张力。油/水界面张力测定的温度为30℃,每次测量时间为3h,直到界面张力稳定,测量至少重复3次。

2.2 流型观测实验条件与步骤

在长2.00m、内径0.01m的不锈钢管内进行油水两相垂直向上流动测量,管长、直径比(L/D)为100,垂直管流装置流程图如图1所示。 Bergman等提出完全发展的流动是指由于流体颗粒和管壁之间的剪切应力引起的黏性效应,当流体穿过一定长度(定义为进水特征长度)的直管时,流体产生完全发展的速度分布。因为本文中在整个实验条件范围内油和水都处于层流状态。在层流的情况下, 进水特征长度计算公式为

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

式中, Lh 为进水特征长度,m;Re 为雷诺数;D 为管道的直径,m。

计算得到的对应于水和油雷诺数最大值的 L h/D 分别为0.143和75,均低于实验的 L/D 值200,说明在本文中操作条件下,可以达到完全发展流动。

图1 垂直管流装置流程

实验步骤:将油通过注入泵A泵入循环泵中, 将循环泵中的油通过伺服电机驱动活塞移动以一定的流速注入垂直管道,同时利用注入泵B将容器B中的表面活性剂水溶液通过注入点泵入垂直管道中的上升油流中,注水管段直径0.003m,位于垂直上升管的底部,注入点的几何形状见图2。

当循环泵中的活塞从一侧移动到另一侧时,一组实验过程结束。入口持水率 Y w 由0至90%可计算如下:

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

式中,Qw 和 Qo 分别为水和油的流量,m3 / s。

图2 将水注入主要测试管段的注入点

油、水流量测定及实验条件:在固定的入口持水率、温度和压力条件下,当流动达到稳定状态时,通过高速摄像和电导探针技术对流动型态进行观察和记录,每个流动条件持续10min。