利用电阻探针测试输油管道中油品携水能力实验

2015-02-15许道振张劲军张国忠代玉杰

油气田地面工程 2015年6期

关键词：油相润湿水相

许道振张劲军王彬张国忠代玉杰

1中国石油规划总院2中国石油大学（北京）3中国石油大学（华东）

利用电阻探针测试输油管道中油品携水能力实验

许道振1；2 张劲军2 王彬1 张国忠3 代玉杰1

1中国石油规划总院2中国石油大学（北京）3中国石油大学（华东）

利用自主开发的环形装置，模拟了积水在输油管道中的运动情况，并根据油水电导率不同的原理，利用电阻探针检测到了壁面处三种可能的润湿情况，确定了在不同含水率下，管壁处为恒定油相润湿的临界流速。通过三种具有特殊物性的油品研究油品黏度及密度对油品携水能力的影响，发现具有较高黏度以及较大密度的油品具有较强的携水能力，相同工况下能够减少管道中积水及管道腐蚀的可能。将实验结果与液滴稳定模型预测进行对比，发现在含水率较低时，实验数据和模型预测吻合较好；含水率较高时，实验数据和模型预测出现了偏差。

输油管道；环形装置；电阻探针；油品携水；临界流速；油品物性

在石油、化工等行业中，油水两相在管道中同时输送的现象非常普遍。由于存在密度差，水相在管道底部聚集形成自由水层，自由水层的存在为腐蚀提供了环境，加速了管道内壁腐蚀速率。管道的腐蚀不仅增加了维护成本，还会造成管道停输引起的间接损失。如果运行工况下，水相全部以液滴的形式分散在油相中，管道内壁全部被油相润湿，则可降低管道内壁的腐蚀速率。

本文的主要目的是研究不同工况下，水相全部进入油相，管道内壁被保护的临界状态以及油品物性对油品携水能力的影响。

1 实验装置与测试方法

实验设备为自主开发的环形实验装置[1]，流动区域为柱形外壁、内壁，顶盖以及底盖围成的环形装置。为方便观察流型，其中圆柱形内壁、外壁以及顶盖由有机玻璃构成。整个装置通过调节连接在顶盖上的马达驱动的转速来调节环形区域内流体的流速。

实验中主要应用自主开发的齐平管道内壁式电阻探针来检测壁面处的润湿情况。电阻探针的工作原理利用了油水两相电导率的不同。电阻探针外壁为金属导电空心圆柱，中心为导线，外壁与导线之间用环氧树脂填充进行绝缘。在探针外壁与中心导线之间施加一个5V的工作电压。当水相润湿管壁时，探针外壁与中心导线被水滴导通，则探针外壁与中心导线之间的电压降为零；而当油相润湿管壁时，探针外壁与中心导线之间绝缘，则两者之间的电压为工作电压5V。将探针外壁与中心导线之间的电压和参比电压（3V）进行对比，将采集到的二进制信号0和1输入到采集程序中，通过图形显示的方法，用红蓝两种颜色分别表示管壁被油相和水相润湿。在壁面上均匀分布着5×14共70个探针，可以检测整个壁面的润湿情况。实验利用皮托管来测量液体的流速。

2 实验方案和步骤

2.1 方案

为了研究油品黏度和密度等物性对于油品携水能力的影响，分别用三种油品进行实验测试。通过表1可以发现，在这三种油品中，LVT—200和Aromatic—200具有相似的黏度，密度不同；LVT—200和Isopar—V具有相似的密度，黏度相差较大；并且Aromatic—200和水的密度差很小。这三种油品的特殊物性，为研究黏度以及密度对油品携水能力的影响提供了帮助。为了提高电阻探针的灵敏度，水相中加入了1%的NaCl作为实验介质。

表1 样品物性参数

对于每一种油品，分别在5%、10%、15%以及20%四种含水率工况下进行测试，流体的速度范围为0.3～1.7m/s。

2.2 实验步骤

为了保证实验结果的准确性以及每次实验具有相同的初始状态，采取以下实验步骤：

（1）每次实验前用砂纸对电阻探针进行打磨，除去表面的氧化层，保证电阻探针有良好的导电性，然后对电阻探针进行测试。当电阻探针全部显示为未导通，进行下一步。

（2）按照实验方案设定的含水率，将油、水依次注入到环形空间内，待油水分层稳定后，对探针进行测试。当电阻探针全部显示为导通后，进行下一步。

（3）调节电动机转速，待稳定后首先对电阻探针进行10次数据采集，电阻探针数据稳定后对皮托管进行5次数据采集。

（4）排除装置中的油水，并对实验装置进行清洗。

（5）重复以上前三个步骤，在不同油品、不同流速、不同含水率下进行实验。

实验结果与后面的模型预测一并给出并对比分析。

本文采用Hinze、Brauner提出和改进的液滴稳定理论进行模型验证，计算过程可参考文献[2]和文献[3]。

3 结果与讨论

3.1 实验现象

通过分析采集到的壁面润湿图，可以将壁面的润湿情况分为三大类：①恒定水相润湿，所有探针均显示被水相润湿，并且均保持恒定；②油水间歇性润湿，部分探针显示被水相润湿，并且随着时间的延长，部分探针显示壁面在油相润湿和水相润湿之间转换；③恒定油相润湿，所有探针均显示被油相润湿，并且均保持恒定。

初始时刻，由于重力的作用，水相分布在装置的底部，壁面全部为水相润湿。随着流速的增加，部分油滴会接触到管壁底部，壁面的润湿情况由恒定水相润湿变为间歇性水相润湿，但是由于流速较低，系统内的湍动能不足以维持液滴的稳定，部分水滴在重力的作用下重新沉降至壁面处润湿壁，从而使得部分探针在水相润湿和油相润湿之间频繁转换。随着流速的进一步增加，越来越多的探针在油相润湿和水相润湿之间转换，并且转换频率逐渐降低，油相润湿的时间逐渐增长。当流速达到临界点后，所有的探针均显示为油相润湿，并且不再表现出在油相润湿和水相润湿转换的现象。在实际生产过程中，如果管道能够在临界流速之上运行，能够极大地减少管道的内腐蚀速率。

3.2 数据分析

图1为三种油品的测试结果，可以发现：对于同一种油品，随着水相持液率的增加，流型转换的临界流速也逐渐增大。当水相持液率从5%增加到20%，油品介质为LVT—200时的临界转换流速从1.2m/s提高到1.6m/s，另外两种油品表现出相同的趋势；油品介质为Isopar—V时，水相持液率从5%增大到15%时，临界转换流速由0.9m/s增大到1.2m/s；油品介质为Aromatic—200，水相持液率从10%增大到20%时，临界转换流速由0.5m/s增大到0.8m/s。由于Isopar—V油品黏度高，流动时能量耗散较大，受到电动机功率的限制，当水相持液率为20%时，并没有观察到油润湿的情况。由于在Aromatic—200介质环境中壁面表现出完全的憎水性，当水相持液率为5%时，在测量范围内仅观察到了油相润湿一种情况。

图2为三种油品流型转换线对比图。Isopar—V和LVT—200两种油品密度相近，Isopar—V的黏度为LVT—200黏度的5.8倍，从图2可以看出油品为sopar—V时的临界转换流速要远小于油品为LVT—200时的临界转换速度，即黏度较大的油品具有更好的携水能力。

图1 管壁润湿图

图2 三种油品转换线对比

LVT—200和Aromatic—200两种油品黏度相近，Aromatic—200的密度大于LVT—200，从图2可以看出油品为Aromatic—200时的临界转换流速要远小于油品为LVT—200时的临界转换速度，即密度较大的油品具有更好的携水能力。

由于Aromatic—200的密度和水较为接近，即当水相的持液率为20%时，流速达到0.8m/s时，壁面润湿已经转化为油相润湿。在该实验条件下，密度对于油品携水能力的影响大于黏度。

3.3 模型对比

对比实验测得转换线和模型预测值，可以发现：当水相持液率较低时，LVT—200和Aromatic—200两种油品的实验测得值与模型的预测值吻合得比较好，Brauner的模型可以较好地预测在液滴浓度较低时的流型转换条件；当液滴浓度较高时，对于LVT—200和Isopar—V这两种密度较小的油品，预测值要高于实测值。Angeli[4]和Simmons[5]也发现，在液滴浓度较高时，模型并不能给出较准确的预测值。对于密度较大的Aromatic—200，预测值低于实测值，这是由于虽然油品密度的增大，增加了水滴受到的浮力，但是Aromatic—200的密度和水的密度差极小，油水两相的运动趋于相同，在湍流作用下部分水相会运移到管壁，相比于预测值，需要更高的流速使得水相分布在管道的中心部分。