稠油流变特性研究进展

徐冰 齐超 吴玉国

摘 要：随着低粘度原油开采量的不断降低和对能源的需求，人们越来越关注稠油油藏的开采，这就需要比较全面地了解稠油的一些特性规律。为了更好的掌握稠油的特性规律，从稠油流变特性的影响因素方面入手，对稠油流变特性的影响因素进行比较全面的归纳，综述了稠油流变特性的研究进展情况，另外，针对稠油流变特性的研究存在的问题和发展趋势进行了分析和概括。

关 键 词：稠油；流变特性研究要点；发展趋势

中图分类号：TE 81 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-1955-04

Abstract： With reducing of exploitation amount of low viscosity oil and increasing of energy demand， people are increasingly concerning about the exploitation of heavy oil reservoirs， so it is very necessary to comprehensively understand the characteristics of heavy oil. In order to grasp the characteristics of heavy oil， influence factors of the rheological properties of heavy oil were analyzed， research progress of the rheological properties of heavy oil was summarized. Moreover， problems and trend of researching rheological properties of heavy oil were discussed.

Key words： heavy oil； rheological properties； development trend

稠油流变性对采油生产、集输工艺以及稠油在多孔介质内的渗流过程都有着显著的影响，另外，油田的很多开发指标都与流变性有直接关系。我国稠油地下蕴含量十分丰富，由于这类原油的凝点和出现非牛顿流体特性的温度比较高、粘度 大、流动特征偏离牛顿粘性定律、渗流特征不符合达西定律等特点，使得开采作业、储运等过程十分困难，而流变性又是合理设计管网、优化设计运行参数的一个重要理论依据，所以对稠油流变特性规律和其影响因素的研究对石油工业的发展有着重要的意义。

1 稠油流变特性的研究要点

1.1 转相

转相是构成乳状液体系中的分散相和连续相互换的一种现象。转相对稠油乳状液带来的直接影响就是乳状液的流变特性发生改变。一些研究学者通过实验研究认为，影响原油转相的因素包括含水率（注入水的体积分数）、乳状液的粘度、液滴粒径的大小及颗粒散布的情况、流体的流动形态等因素[1]。前人总结出层流时原油的粘度与含水率之间呈对数关系，还不够全面，其中忽略了液滴界面张力、液滴尺寸及其分布的影响，而只考虑含水率油品的粘度、流速等因素，使得计算式不够准确，因此，影响稠油乳状液转相的问题还需进一步深入系统的研究。

稠油乳状液在低含水率的情况下，稠油形成油包水型乳状液，导致乳状液的表观粘度较大，对稠油的地下多孔介质的流动以及集输带来较大的影响；稠油乳状液在含水率增加到一定程度时，稠油乳状液发生转相，此时的含水率称为转相点或临界含水率，主要表征为表观粘度降低幅度较大，此时稠油乳状液转变为水包油型（水为外相、油为内相）乳状液，直接导致稠油集输的压力降减小，利于稠油集输工艺的完成。由于不同的含水率而导致转相，王为民[2]等利用Rheostress-300流变仪在不同含水率的条件下测量了辽河油田含水超稠油的表观粘度，绘制了同一温度下不同含水率与粘度的关系曲线图，当含水率约为18%时乳状液的表观粘度明显降低，说明含水率为18%即为转相点或临界含水率，乳状液发生转相，所以在超稠油的集输过程中要适当保持超稠油乳状液的含水率在转相点附近，以保证乳状液由油包水型向水包油型转换。

1.2 温度

在超稠油流变特性的影响因素中温度起主要作用，认识和掌握原油粘温关系的变化规律占首要地位。李雪峰[3]等利用DT-4003智能原油脱水仪对锡14块超稠油实验油样在120 ℃下进行脱水处理，利用RV DV-III Brookfield流变仪测量不同温度下的表观粘度，在半对数坐标中绘制出粘温曲线，发现超稠油的粘温曲线大致上是呈线性的，随着温度的升高，超稠油表观粘度呈现近似指数下降，而且能够较好的满足Arrhenius定律[4]。

在半对数坐标中，随着温度增大，曲线斜率逐渐减小，表明温度对表观粘度的影响逐渐减弱；随着表观粘度的增大，表观粘度对温度的敏感性逐渐增强[5]。当温度增大到牛顿流体转化温度点时，超稠油流型发生转变，从非牛顿流体过渡到牛顿流体。粘温变化的主要原因是超稠油属于多相混合物液体，温度能够对分子的运动和排列造成影响，固体颗粒大小及内部分子排列等因素都会很大程度的影响其表观粘度。另外，超稠油主要由胶质、沥青质等高分子聚合物构成，形成有一定空间网状结构的分散体系，改变温度，其中围绕着沥青质的胶团、胶束的组合或断裂，使得稠油内部结构发生改变，影响其内聚力大小，也会直接导致超稠油粘温关系变化[6，7]。

1.3 压力

应用HAAKE RS600流变仪、PZ38传感系统分别测定了稠油乳状液在7个温度点和3个不同压力下（350 kPa、68 0kPa、1MPa）的流变曲线[4]。测试结果表明，稠油乳状液在不同压力下的流变曲线均为过原点的直线，几乎重合，可以按照牛顿流型拟合，拟合的相关系数很高。当剪切速率为55 s-1定值时，在不同压力的条件下对江37区块稠油的粘度进行的测量研究[8]，发现当温度低于拐点温度时，压力对稠油的表观粘度影响较大，稠油的粘温关系曲线随压力变化较大；当温度高于拐点温度时，压力对稠油的表观粘度没有明显影响。在较高温度下，稠油体系内的固体颗粒尺寸较小，稠油体系表现为液体性质，压力对粘度影響不大；随着温度的降低，胶质和沥青质发生进一步析出、聚集，使胶团结构尺寸增大，在加上蜡晶的析出，共同在稠油内部形成具有一定结构强度的三维空间网状结构，因此，稠油表现出粘弹性，其粘度随压力增大而增加。

1.4 搅拌时间

通过不同的搅拌时间来制备不同分子粒径的乳状液，对于油包水型乳状液，分散相颗粒的粒径对其粘度有一定的影响。采用显微镜以及配套的CCD成像系统观察乳状液的微观结构，并且测得稠油乳状液的流变曲线[5]。图1给出了在含水率为15%的条件下，剪切时间分别为300 s和1 200 s稠油乳状液的微观结构图，由图中可以看出随剪切时间的增加，分散相的粒径逐渐减小，超稠油乳状液逐渐均匀。分别测得不同剪切时间下的乳状液的流变曲线，发现随着剪切时间的增加，乳状液在同一剪切速率下的粘度逐渐增加，但非牛顿流体的性质并未发生质的改变，这种现象说明剪切时间对超稠油流变特性的影响不大，其流变学性质改变不明显。

1.5 含水率

通过配制不同含水率的超稠油乳状液，经机械搅拌后测量其粘度值[9]，研究发现由于含水率的不同，超稠油乳状液的流变特性是不相同的，表观粘度有所差异，流变曲线的变化规律极其复杂。当含水率低于某一值时，油样形成油包水型乳状液，即是油为外相，水为内相，分散相（水）液滴之间的间隔比较大，此时超稠油乳状液的表观粘度主要受连续相（油）的影响；当含水率增加到某一值时，分散相（水）液滴所占超稠油乳状液体系的比重逐渐增加，连续相（油）和分散相（水）的相间表面积增大，由于液滴之间发生相互碰撞、相对滑动和相间表面能的剧烈作用，使得超稠油乳状液的表观粘度明显上升；当含水率在转相点或转相点附近时，超稠油乳状液发生转相，乳状液中油水的共存形式发生了改变，其表观粘度急剧下降，最后趋于稳定达到某一定值[10]，流体的流型逐渐由非牛顿流转变到牛顿流，表现出牛顿流体的特征。

1.6 剪切速率

温度对稠油流变特性的变化起着决定性的作用，温度的变化会引起稠油表观粘度的变化，但表观粘度还受剪切速率的约束，稠油粘温曲线随着剪切速率的变化而变化，表现为剪切速率越小，稠油的表观粘度对温度的敏感性越高，曲线的斜率越大。张宇睿[11]等采用美国M5500高温高压流变仪，研究了南阳油田某区块典型井口掺水稠油粘度与温度、剪切速率之间的关系，并绘制了在不同含水率、不同剪切速率的条件下，粘度随温度的变化曲线，得出以下结论：在35～45 ℃，稠油乳状液呈现出剪切变释的特点，即流体粘度随剪切速率的升高而降低，表现出非牛顿流体的特征，且剪切速率越小，曲线越陡。35 ℃时随着剪切速率的增大，其表观粘度逐渐减小，表观粘度对剪切速率的敏感性较强；当温度达到45 ℃后，各个剪切速率下的粘温曲线有汇集于一点的趋势，表明在全粘温曲线上必然存在一直线段，此时表观粘度不随剪切速率的变化而变化，表现出牛顿流体的特征。这是因为在低温条件下，蜡晶析出并不断聚集，缓慢的布朗运动也加剧了絮凝体的形成，从而使得稠油的粘度大；当温度升高到某一值时，分子的布朗运动加剧，粒子间引力减小等因素使稠油粘度下降，使其流型接近于牛顿流体。

1.7 屈服应力

在某一温度的条件下，屈服应力值可以直观地反映原油由变形到流动，是流体塑性的一个评定标准。当外界施加的驱动压力大于原油的静极限剪切应力时，原油才开始流动，原油流动所克服的静极限剪切应力就是原油的屈服应力值。超稠油一般属于具有一定屈服值的宾汉流体，其本构方程为：

超稠油含有的胶质、沥青质、蜡等高分子聚合物容易形成三维空间网状结构，产生屈服应力，阻碍稠油流动，产生很大的粘滞阻力[12]，对流体流动产生牵绊作用。在超稠油运移或地下渗流时，屈服应力值和流体的初始启动压力密切相关，原油的屈服应力值越大，其初始启动压力越大，越不利于原油的集输，当停输再启动时可能造成凝管。

王风岩[13]等人选取辽河油田冷家超稠油区块三组油样进行流变性测定，得出其相应的屈服值，发现每组油样都存在对应的拐点温度，当低于拐点温度时屈服值较大，屈服值随温度的降低急剧增加，表明超稠油的屈服应力随着温度的变化受到的影响较大，温度越低，形成的空间网状结构越不容易被破坏；当高于拐点温度时，稳固的空间网状结构被破坏并且分散成为游离结构，屈服应力值急剧下降，超稠油逐渐表现出牛顿流体的特征。由于屈服应力值和温度的关系是密不可分的，所以对两者关系的研究是一个不可回避的问题。

李向良[14]等通过对超稠油流变特性进行测量，绘制屈服应力与温度关系曲线，对曲线进行回归分析，发现两者的关系满足下式：

当温度较低时，温度的增加会使屈服应力急剧下降，不利于超稠油的地下渗流或集输工艺。

因此，从超稠油的粘温特性、屈服应力值与温度之间的关系考虑，为了确保超稠油的常规集输工艺，应该注入高温度和高干度的蒸汽，这样才能使屈服应力值降低，利于超稠油的开采和运移。

2 存在的问题和发展趋势

2.1 存在的问题

目前还没有成熟的理论预测乳状液从牛顿流体转化成非牛顿流体的临界体积分数及乳状液发生转相的最大体积分数，其原因在于影响因素复杂，如乳状液的制备方法、原油的性质、温度等，所以只能通过实验测量。

在研究方面，对稠油流变性机理的认识还比较肤浅，对流变特性规律的认识，还主要停留在定性的水平上。目前，掌握原油流变性的方法主要是利用商用流变仪和自行设计的试验管路进行试验测试，在某些试验测试步骤和方法上还存在问题。迄今为止，国内针对稠油流变性的大部分研究基本上还在走从试验测试到总结试验规律（表、图、拟合关系式）的路子，没有定量的突破，在稠油流变性机理、流变性规律和触变特性等方面的掌握还有所欠缺，管道输送过程中经历的热力和剪切条件很可能与室内试验所用的油样经历的条件不同，常规方法测量的结果可能不能准确的表示原油的流变特性。

2.2 发展趋势

围绕着稠油管道安全、经济与运行这一话题，国内外对稠油流变学的研究及应用方面做了大量的工作。我国目前对稠油流变学及应用方面的研究主要是通过对各种地区的稠油进行试验研究，主要有不同温度下稠油的流变特性及相应的流变模型、稠油的粘温特性及其数学模型、热历史和剪切历史对稠油流变特性规律的影响、稠油流变性与稠油组成成分的关系、稠油的触变特性及其数学模型和稠油的屈服应力等。只有对稠油流变特性的影响因素、剪切历史以及热历史等进行全方面、多角度的综合考虑，才能更好地掌握某一塊区的稠油流变特性；通过计算机模拟科学有效地处理相关参数，可在试验环道或实际管道上检验，做出相应的定量分析；对于每一个地区的稠油，需经过大量重复性的测试，稠油流变性相关的棘手的问题才可能迎刃而解。

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