胶凝原油结构对超声波速影响规律

刘 刚, 张 淇, 滕厚兴, 卢兴国,陈 雷, 梁从富, 史培玉

(1.中国石油大学储运与建筑工程学院,山东青岛 266580; 2.中国石油大学山东省油气储运安全省级重点实验室,山东青岛 266580; 3.中国石油塔里木油田公司,新疆库尔勒 841000;4.中国石化胜利油田分公司油气集输总厂,山东东营 257000)

中国所产原油大多数为含蜡原油。在胶凝温度以下因蜡的结晶析出并形成网络结构[1],含蜡原油表现有复杂的非牛顿流体特性,如黏弹性、屈服应力和触变性等[2]。含蜡原油的凝点较高,常温下流动性差,一般须加热输送[3]。含蜡原油管道设计与运行的核心问题之一是如何确保热油管道停输后再启动的安全性[4-6]。管道停输后再启动数值模拟需要联立求解管流的连续性方程、动量方程[7-9],其中连续性方程须用到压力波沿管道的传播速度[10]。目前,含蜡原油管道再启动研究主要集中在流变模型的建立和数值求解方法,而较少关注管内胶凝原油的压力波速。管道再启动数值模拟研究多是假定压力波速为一定值[11-16],而较少考虑压力波速随温度、结构破坏等因素的变化。管内流体的压力波速与液体的弹性系数、密度和管材的弹性有关[17]。对于刚性管道,理论上压力波速即为液体中的声速;如果测得超声波速,考虑管道弹性,可根据公式[18]计算出管内压力波速。在原油中超声波的应用方面, Wang等[19]发现原油中超声波速与温度和压力存在函数关系。韦成等[20-21]研究表明,含蜡原油的超声波速及超声衰减随温度降低逐渐增大,蜡晶析出对原油超声波速产生影响。张帆等[22]发现,含蜡原油在凝结温度前后表现出不同的声速与温度的对应关系,并且含蜡原油凝结后的声速随温度的变化关系同原油含蜡量有关。张永发等[23]通过对声衰减系数与超声波频率关系、声速与温度关系等试验数据的拟合及分析,得到了超声波在原油中的声衰减系数公式的修正公式。Lionetto等[24]将超声波测试与动态力学分析相结合,得出原油中溶胶凝胶转变温度的测试方法。林春丹等[25]验证了超声衰减谱法测量含蜡原油中蜡晶粒度的可行性,并得出蜡晶的平均粒度随温度的升高呈下降趋势。现有研究均未考虑胶凝原油恒温静置过程及恒温剪切过程中超声波传播特性的变化。为此,笔者设计并搭建胶凝原油超声波速测试装置,测量胜利原油在凝点温度以下的恒温静置过程中以及恒温剪切过程中超声波速和超声衰减随时间的变化特性,考查胶凝原油结构对超声波传递特性的影响。

1 试验装置及测试方法

1.1 装置系统

图1为自行设计并搭建的胶凝原油超声波速测试装置。测试系统由控温系统、搅拌罐、悬臂式搅拌器、OLYMPUS 5072PR信号发生器和泰克DPO 2002B示波器组成。循环水浴(Thermo Scientific SR20)的控温精度为0.02 ℃,升降温速率恒定。搅拌罐放置在控温水槽中。搅拌罐内径为90 mm,高度为75 mm。搅拌罐罐壁30 mm高度处安装有4个超声波探头;4个探头均匀分布,其中1和3号为10 MHz超声波探头,2和4号为5 MHz超声波探头。搅拌罐的项盖中间留有比搅拌器的搅拌杆略大的圆孔,搅拌时搅拌杆穿过圆孔;并且为避免搅拌杆对超声波测量产生影响,圆孔错开圆心位置。高速悬臂式搅拌器(IKA-EUROST 60C)的最大转速为2 000 r/min,选用螺旋浆式搅拌桨(四叶片);搅拌桨放置在距搅拌罐底25 mm处,以使超声波测量位置处原油受到充分剪切。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental installation

1.2 “时差法”测量原理及装置标定

采用“时差法”测量超声波速,其基本原理是:测量时信号发生器发射脉冲信号,超声波探头将脉冲信号转化为超声波发射至原油中,传递到装置另一端的超声波探头,探头将超声波信号转换为电信号并传送到信号发生器。信号发生器连接示波器,准确地记录两次电信号的时间t1、t2(精度可达10-9s)以及接收到的超声波强度。根据超声波在原油中传递时间Δt和探头之间的距离ΔL,便可计算超声波速度v=ΔL/Δt。发射脉冲信号的电压值为4.08 V;接收电压信号随超声波在原油中衰减增强而减小。可通过接收电压信号的强弱来判断超声波在原油中衰减的强弱。

利用蒸馏水标定两对探头之间的距离。标定时测量18～35 ℃内 9个温度下超声波在蒸馏水中的传播时间,计算相应温度下蒸馏水声速v[22],声速v与时间Δt的乘积便是探头间的距离,标定结果如表1所示。

蒸馏水声速v计算为

v=1 402.336+5.033 58T-5.795 06×10-2T2+3.316 36×10-4T3-1.452 62×10-6T4+3.044 9×10-9T5.

(1)

从表1可计算出,10和5 MHz探头间距离分别为97.464和 98.351 mm。

测试原理和方法与文献[21-26]相同。为进一步验证试验所用超声波在测试过程中对胶凝结构不产生破坏,设计如下两组对比试验,试验流程如图2所示。第一组:胜利原油加热至60 ℃,以0.2 ℃/min的降温速率、600 r/min的搅拌速率动态降温至25 ℃,恒温并搅拌30 min后关闭搅拌器,再恒温静置1h后,测量超声波速及信号电压值。第二组:在恒温静置1 h的过程中打开超声波速测量仪,其他过程与第一组相同。超声波速均为1 471.77 m/s,且接收到的信号电压值也相同,均为1.3 V。由此可知,超声波在原油中传播不会对结构产生破坏,对测试结果无影响。

表1 超声波探头距离标定表

图2 试验流程示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental procedure

1.3 油 样

采用含蜡量较高的胜利原油。测试前先将油样经过高温处理,使油气轻组分充分挥发。依据石油天然气行业标准SY/T 0541—2009《原油凝点测定法》,使用SYD-510G型凝点仪测得胜利原油的凝点为36 ℃。依据SY/T 0545—2012《原油析蜡热特性参数的确定:差示扫描量热法》,使用DSC821e型差示扫描量热仪测定了原油的析蜡特性,并以此确定各温度下的原油累积析蜡量与析蜡点温度。图3为胜利原油的DSC曲线。由图3可知,胜利原油的析蜡点为55 ℃;47 ℃处存在一析蜡小高峰,从40 ℃开始,随温度降低蜡晶大量析出,原油比热容迅速增大,在29 ℃达到析蜡高峰,此时比热容最大;之后随温度降低蜡晶析出越来越少,比热容随之下降。

2 结果及其讨论

2.1 胜利原油不同温度下的超声波速

采用5和10 MHz超声波探头分别测量含蜡原油在不同温度下的超声波速及超声波衰减情况。测试时将原油置于搅拌罐中,加热至60 ℃并恒温静置1 h;之后以恒定降温速率将原油静态降温至测试温度,(实测和Fluent模拟确定)恒温5 h以保证搅拌罐内原油温度均匀一致;然后分别利用5、10 MHz探头测量超声波速及接收电压信号强度。

图3 胜利原油DSC曲线Fig.3 DSC curve of Shengli crude oil

图4为试验测得接收信号电压随测试温度的变化关系。由图4可见,45 ℃以下10 MHz超声波探头接收信号电压值开始明显小于5 MHz探头接收的信号电压。当温度低于30 ℃时,10 MHz探头接收的信号十分微弱;而对于5 MHz探头,接收信号开始微弱的临界温度是15 ℃。因此,超声衰减程度随温度降低而增强,且超声波频率越高,衰减程度越强。

图4 胜利原油中接收信号强度随温度变化曲线Fig.4 Signal intensity varying curves with temperature of Shengli crude oil

胜利原油超声波速随温度变化如图5所示。由图5可见,原油超声波速随温度变化表现出负线性相关性;且以40 ℃为分界点,前后两段的斜率不同。温度高于40 ℃时,超声波速随温度变化的斜率为-3.310 4;温度低于40 ℃时,变化率为-5.667 5,也即温度低于40 ℃时超声波速随温度降低而增加的速率明显大于温度大于40 ℃时超声波速增加的速率。当温度低于析蜡点55 ℃时,蜡晶开始析出,形成蜡晶小颗粒悬浮于液态原油中,此时超声波速随温度的变化率无明显改变;40 ℃时蜡晶开始大量析出,较大的蜡晶颗粒对超声波在原油中的传播产生影响,蜡晶颗粒之间的相互作用增强,增大了超声波在原油中的传播速度,因而在40 ℃处出现转折。由图5还可看出,在测试温度范围内,5 MHz超声波和10 MHz超声波在原油中的传播速度几乎相同,超声波频率对超声波速无影响。超声波为机械波,机械波在介质中传播速度只与介质的体积模量和密度有关[26]。因此,测试结果与波动理论一致。

图5 胜利原油超声波速随温度变化曲线Fig.5 Ultrasonic velocity varying curve with temperature of Shengli crude oil

2.2 原油恒温静置过程中超声波变化规律

胜利原油凝点为36 ℃,为保证原油中存在胶凝结构,将测试温度设定为20、25、30和35 ℃。油样在搅拌罐内动态降温过程的剪切转速为600 r/min,以使油样充分剪切且无涡旋形成。为防止试验温度较低时超声波衰减过大而无法测量,选用5 MHz超声波探头。测试时将原油置于搅拌罐中,加热至60 ℃并恒温搅拌1 h;然后,控制水浴以0.2 ℃/min的降温速率动态降温至测试温度。待温度达到测试温度后,继续恒温搅拌0.5 h以保证罐内原油温度均匀一致,期间测量一次超声波波速及接收信号电压值。随后,关闭搅拌器将原油恒温静置,每隔一段时间测量一次超声波速和接收信号电压值,直至出现连续两次测量值完全相同。降温过程如图6所示。

2.2.1 恒温静置过程中超声波速变化

图7为胜利原油4个不同温度下超声波速随静置时间的变化曲线。由图7可见,恒温静置过程中,超声波速随静置时间逐渐增大;一开始增大速率较快,随着时间延长增大速率逐渐减小,最终趋于一个稳定值。超声波速v随静置时间t的变化关系可表示为

(2)

式中,v0为恒温初始时刻的超声波速,m/s;v∞为结构完全形成后超声波速,m/s;t为静置时间,min;B、m为物性参数。

图6 罐内原油温降过程示意图Fig.6 Schematic diagram of crude oil cooling process in tank

图7 胜利原油不同温度下超声波速随静置时间变化曲线Fig.7 Ultrasonic velocity varying curves with static time of Shengli crude oil at different temperatures

由图7还可看出,温度越低,静置初始时刻超声波速增长速率越快,也即静置开始时结构形成的速度越快。可解释为搅拌时由于剪切作用的存在使得大量蜡晶分散在原油中,无法交联形成网络结构;一旦剪切停止,蜡晶之间迅速交联形成胶凝结构;而温度越低,析出的蜡晶越多,蜡晶之间的吸引越强,形成结构的速率也越快,因此超声波速增大的速率越快。

表2 搅拌速度600 r/min下拟合参数

2.2.2 恒温静置过程中超声衰减

超声波速测试还可通过接收信号电压值表征超声波在原油中的衰减程度。图8为不同温度下接收信号电压值随静置时间的变化曲线。由图8可见,30和35 ℃的恒温静置过程中,接收信号电压值无明显变化。而对于20和25 ℃,接收信号电压值随时间逐渐减小,一开始减小速率较快,随时间延长减小速率逐渐降低,最终趋于稳定值;并且温度越低,接收信号电压值越低,衰减越强。低温下胶凝原油在恒温静置过程中,蜡晶颗粒相互聚结,形成三维空间网络结构,超声波在其中传播时产生吸收、反射、折射作用,衰减程度增大;并且温度越低,蜡晶析出量越多,胶凝原油结构越强,对超声波的吸收、反射、折射作用也越强,超声波衰减越大。此外,综合图7、 8可看出,胶凝原油蜡晶网络结构越强,原油超声波速越大,超声波衰减程度越强,这表明胶凝原油结构强度与超声波在原油中传播特性存在对应关系。

图8 胜利原油不同温度下接收信号电压随静置时间变化曲线Fig.8 Signal voltage value varying curves with static time of Shengli crude oil at different temperatures

2.2.3 预剪切速率对胶凝原油中超声波影响

动态降温过程中的剪切转速称为预剪切速率。图9为动态降温过程300和600 r/min剪切转速条件下超声波速随静置时间变化曲线。由图9可见,同一温度下,预剪切速率为300 r/min下的超声波速大于600 r/min下的超声波速,且随静置时间延长,两者差值越大。从图9还可看出,预剪切速率越大,静置初期超声波速的增长速率越快,而增长趋于稳定的时间越早。

图9 胜利原油不同预剪切速率下超声波速随静置时间变化曲线Fig.9 Ultrasonic velocity varying curves with static time of Shengli crude oil at different pre shear rate

图10为25 ℃胜利原油在不同预剪切速率下恒温静置过程接收信号电压值随静置时间的变化曲线。由图10可见,预剪切速率越大,接收信号电压值越大,也即超声衰减越小;且静置开始时接收信号电压值下降越快,趋于稳定的时间越短。

2.3 原油结构破坏过程中超声波测试

利用5 MHz超声波探头测量胶凝原油结构破坏过程中超声波速及超声波衰减情况。测试温度选定为25、30和35 ℃。胶凝原油在恒温静置后,利用悬臂式搅拌器进行恒温剪切,剪切转速为600 r/min。搅拌剪切过程中每隔一段时间测量一次超声波速和接收信号电压值,直至连续两次测量值相同。

图11为不同温度下结构破坏过程中超声波速随剪切时间的变化曲线。由图11可见,结构破坏过程中超声波速逐渐减小,一开始减小速率较快,随剪切时间延长,超声波速减小速率逐渐降低,最终趋于一个稳定值。此外,温度越低,剪切开始时超声波速下降速度越快,且下降持续时间越长。超声波速随剪切时间的变化曲线与胶凝原油(触变性测试的)恒剪切率条件下剪应力随时间的变化曲线相似。胶凝原油在剪切作用下,蜡晶网络结构逐步遭到破坏,结构强度逐渐减弱,超声波在原油中的传播速度逐渐减小。结构破坏后蜡晶颗粒及絮凝体的数量增多,在范德华引力等其他力作用下碰撞并聚集,结构建立的速率随着结构的破坏而增大。最终结构的破坏与建立达到动态平衡,在宏观上表现为超声波速逐渐趋于稳定。

图10 25 ℃胜利原油不同预剪切速率下接收信号电压值随静置时间变化曲线Fig.10 Signal voltage value varying curves with static time of Shengli crude oil under different pre shear rate at 25 ℃

对比图11和胶凝原油恒剪切率下剪应力随时间的变化曲线,可发现超声波速达到平衡的时间要大于恒剪切率下剪应力达到平衡的时间。这可能与搅拌罐内原油受到搅拌剪切不够充分均匀有关。搅拌时搅拌桨上方及其附件的原油受到充分剪切;而离搅拌桨相对较远的原油受到的剪切较弱。当温度较低、结构较强(具有屈服应力)时,搅拌罐内原油剪切不均匀的这一现象越显著;远离搅拌桨的原油要受到相同的剪切破坏程度,就要延长剪切时间。测得的超声波速是搅拌罐直径方向上超声波在原油内传播速度的平均值。因此,图11中超声波速随时间变化的时间尺度偏大。

图12为25 ℃胜利原油不同剪切速率下超声波速、接收信号电压值随时间的变化曲线。由图12可见,在结构破坏过程中剪切速率越大,超声波速下降越快,且趋于稳定后的超声波速越小;而对于接收信号电压值,其值随时间增大,最终趋于稳定,且剪切速率越大,增加越快,趋于稳定后的值也越强。剪切速率越大,蜡晶网络结构受到的剪切力越大,结构破坏越快,结构越弱。所以,剪切速率越大,超声波速下降越快,超声衰减越小。

图11 胜利原油结构破坏过程中超声波速随时间的变化曲线Fig.11 Ultrasonic velocity varying curves with time of Shengli crude oil in structural failure process

图12 25 ℃胜利原油不同剪切速率下超声波速及接收信号电压值随时间变化曲线Fig.12 Ultrasonic velocity and signal voltage value varying curves with time of Shengli crude oil under different shear rate at 25 ℃

3 结 论

(1)含蜡原油结构越强,超声波速越大,接收信号电压值越小,超声衰减越显著。

(2)胜利原油在凝点温度以下的恒温静置过程中,超声波速随静置时间延长而增大,初始阶段增加较快,而后增加速率逐渐减小,最终趋于稳定值。

(3)胜利原油恒温剪切过程中,超声波速逐渐下降,初始阶段下降速率较快,随剪切时间增加下降速率逐渐降低,最后趋于稳定值;温度越低、剪切速率越大,超声波速下降速度越快。

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