塔河稠油乳状液粘度实验与预测研究

胡 广 杰



塔河稠油乳状液粘度实验与预测研究

胡 广 杰

（中国石化西北油田分公司， 新疆 乌鲁木齐 830011）

配制了3种塔河稠油在体积含水率为0%、10%、20%、30%下的油包水乳状液。采用Anton Paar MCR 302流变仪测定了乳状液在30、40、50、60、70、75 ℃下的粘度。基于实验数据，对9种乳状液粘度预测模型的准确性进行了评价，优选出Hatscheck模型作为乳状液粘度计算基础模型。根据计算值与实测值之间的偏差，引入温度相关项对Hatscheck模型进行了修正。结果表明，修正后的Hatschek模型的总平均相对偏差为15.11%，比修正前下降了14.85%。

稠油；乳状液；粘度；实验；预测

塔河油田2010年原油产量达到了700万t，近年来正以每年50万t的速度递增，其中稠油开发量占总产量的60%以上[1]。随着开采时期的增长，原油中的含水量也逐渐增加。含水稠油在地面集输管网中经过泵、加热炉、阀门等设备时，不可避免的会发生扰动，形成油水乳状液。而油水乳状液的粘温特性与原油性质、含水率、油水分散度等多种因素相关，目前还没有一种通用的方法能够对油水乳状液粘度进行准确的预测[2]。因此，需要结合塔河稠油本身的特点，开展不同含水率下塔河稠油乳状液的粘度实验分析；通过对现有乳状液计算模型的评价和修正，实现塔河稠油乳状液粘度的合理预测；为油井及地面集输管网的工艺计算提供基础数据和可靠的粘度方法。

1 油包水乳状液粘度预测模型

目前，常用油包水乳状液粘度的预测模型有以下几种[3,4]：

Einstein模型：

Brinkman模型：

Taylor模型：

Rescoe模型：

Hatschek模型：

Richardson模型：

Krieger-Dougherty模型：

Guth-Simha模型

Vand模型：

式中：μ—乳状液的粘度，mPa·s；

μ—连续相的粘度，mPa·s；

μ—分散相粘度，mPa.s；

φ—分散相的体积分率。

2 粘度实验与模型评价

2.1 粘度实验

为了对上述九种乳状液粘度预测模型进行评价，采用奥地利Anton Paar MCR 302高温高压可视化流变仪测试了三种塔河稠油在含水率为0、10%、20%、30%，温度为30、40、50、60、70、75 ℃下的粘度值。流变仪的扭矩范围为0.002μN·m~200 mN·m，扭矩分辨率0.1 nN·m；最小转速10~8 r/min，最大转速3 000 r/min；采用半导体程序温控系统，温度控制范围为0~300 ℃。

在实验中，为了保证为原油中含水率的准确性，首先脱除油品的水分，然后根据所需的体积含水率计算出需要掺入原油中的水的体积；采用分次掺入，高速搅拌的方法使油水混合均匀[5,6]。设定起始温度20 ℃，升温速率2 ℃/min，每隔5 ℃测定一次粘度。测试方法执行SY/T7549-2000《原油粘温曲线的确定：旋转粘度计法》标准。粘度测试结果如表1所示。

表1 塔河稠油乳状液粘度测试结果

2.2 模型评价

采用计算值和实验值之间的相对偏差和平均绝对偏差评价模型的准确性，这两种偏差的定义分别如式（10）和式（11）所示：

式中：cal—计算粘度值，mPa·s；

exp—粘度实验值，mPa.s；

—总数据点个数。

各模型计算的三种原油在含水率为10%、20%、30%下的粘度值与实验值之间的平均绝对偏差如表2所示。

由表2可知，采用Hatschek模型计算的油包水型乳状液的粘度值与实验值之间的平均相对偏差最小，三个站的总平均相对偏差为29.96%。因此，以Hatschek模型为基础，根据实验值与计算值之间的偏差对该模型进行修正。

表2 九种模型粘度预测值的平均绝对偏差

3 模型修正

以12-4站原油乳状液为例，在不同温度和含水率下，采用Hatschek模型计算的粘度值和实验值之间的相对偏差如图1所示。

图1 12-4站原油乳状液计算值与实验值的相对偏差

图1表明，相对偏差与含水率和温度之间存在相关关系。随着含水率的增大，最大偏差逐渐增大。50 ℃以后，随着温度的升高，相对偏差也逐渐增大。而在Hatschek模型中，所有温度下的粘度都只与含水率和不含水原油的粘度相关。因此，需要在Hatschek模型中引入温度相关项，使其能够预测塔河稠油乳状液粘度随温度的变化情况。

以不同含水率下的相对偏差为基础，采用非线性数据拟合方法对Hatschek模型进行修正，得到了含水率范围为10%~30%的塔河稠油油包水乳状液统一粘度预测模型，如式（12）所示：

式中：—温度，℃；

—与含水率相关的系数，取值见表3。

表3 式（12）中A、B、C、D的取值

采用式（12）和式（5）计算的含水率为10%~30%的三种稠油乳状液的粘度值和实验值之间的平均绝对偏差如表4所示。

表4 Hatschek模型修正前后计算偏差对比

表4表明，修正后Hatschek模型的最大平均偏差比修正前下降了15.57%，最小平均偏差下降了10.21%，总平均偏差从修正前的29.96%下降至了15.11%；最大相对偏差为19.81%，比修正前下降了20.13%。

4 结论

（1）测试了三种塔河稠油在含水率为0%、10%、20%、30%，温度为30、40、50、60、70、75 ℃下的粘度值。基于实验数据，对九种常用的稠油油包水型乳状液粘度计算模型进行了评价，结果表明Hatschek模型计算精度最高，平均相对偏差为29.96%。

（2）根据实验数据和根据计算值与实测值之间的偏差，在Hatschek模型中引入了三次方温度相关项对该模型进行修正。修正后的Hatschek模型的总平均相对偏差为15.11%，比修正前下降了14.85%。

［1］明亮, 敬加强, 代科敏,等. 塔河稠油掺稀粘度预测模型[J]. 油气储运, 2013, 32(2):155-158.

［2］窦丹, 宫敬. 稠油/水乳状液的表观粘度实验研究[J]. 化学工程, 2006,34(9): 39-42.

［3］陈家琅，陈涛平. 石油气液两相管流[M]. 北京：石油工业出版社，2010.

［4］林宗虎，郭烈锦，陈听宽,等. 能源动力中多相流热物理基础理论与技术研究[M]. 北京：中国电力出版社，2010.

［5］王坚，冷冬梅，刘伟. 原油乳状液最新制备技术及相关评价方法[J]. 油气田地面工程，2012,31(10): 38-39.

［6］黄启玉, 张帆, 张劲军. 原油水乳状液制备条件研究[J]. 油气储运, 2007,26(6): 49-51.

Viscosity Experiments and Prediction of Tahe Crude Oil Emulsion

（Sinopec Northwest Oilfield Company, Xinjiang Urumqi 830011, China）

Three kinds of water-in-oil emulsion samples ( water volume content of 10%, 20%, 30%) were prepared. The Anton Paar MCR 302 rheometer was used to test the viscosity of these water-in-oil emulsions at 30,40,50,60,70 or 75 ℃. Based on the experimental data, nine viscosity prediction models were evaluated, and the Hatschek model was selected as the basic model for the viscosity prediction. The Hatschek model was further improved by introducing a cubic temperature term into it according to the relative errors between the predicted and experimental data. The results show the average relative error of the improved Hatschek model is 15.11%, which decreases by 14.85% compared with the original model.

Heavy oil; Emulsion; Viscosity; Experiment; Prediction

TE 624

A

1671-0460（2014）06-1114-03

2013-10-28

胡广杰(1973-)，男，高级工程师，研究生学历，毕业于成都理工大学，现主要从事油田生产运行管理工作。Email：hugj@sinopec.com