流变参数对配注管道管径选取的影响实验研究

冷冬梅 汪家旺 于力 周波 刘琴

1大庆油田工程有限公司

2大庆油田有限责任公司物资装备部

3大庆钻探集团公司钻井二公司

管道运输具有密闭安全、运输量大、能耗低等优点，成为油田地面系统最主要的运输方式[1]，管道投资也在地面系统产能规划投资中占有较大比例。因此，为满足《油田地面工程设计》中聚合物驱油地面工程设计“尽可能节省地面建设投资”的设计原则[2]，需要对管径选取更加地精细。

1 配注管道的管径选取

配注管道的管径选取主要是满足管道水力计算要求。聚合物溶液的管流阻力可按式（1）计算。

式中：Δp为管道压降，Pa；L为管线长度，m；K为稠度系数，Pa·sn；n为流变行为指数，0＜n≤1，无量纲；qv为流量，m3/s；D为管内径，m。

从式（1）可以看出，管径选取最主要的两个参数为稠度系数K和流变行为指数n。因此，这两个参数的准确度会对管径计算产生较大影响。

目前，大庆油田配注系统规划方案计算中，只有三种相对分子质量聚合物母液（质量浓度为5 000 mg/L）的K、n值，目的液只给出了一组数据（表1）。由于数据量较小，造成工艺计算时工艺设备及管道的处理能力计算结果不够精确，会导致设备及管道的剩余能力偏大。

表1 配注系统在用流变参数Tab.1 Rheological parameters in use of injection and allocation system

2 聚合物溶液流变特性室内实验

聚合物溶液的流变性是指溶液承受的剪切应力与剪切速率之间的相互关系，亦称本体流变性，通常用溶液视黏度（表观黏度）随剪切速率的变化关系表示[3]。聚合物溶液的流变性是工程设计、数值模拟和动态预测的基础依据[4]，在油田配注系统的管径选取、机泵选择中起着重要的作用[5]。

从以往的聚合物溶液流变曲线测试实验可知，视黏度与剪切速率的关系符合幂律规律[6-8]，基本方程为

式中：μa为视黏度，Pa·s；γ˙为剪切速率，s-1。

为了使流变参数的选取更加精确，开展了大庆油田常用6 种聚合物配制液的流变特性研究，得出了不同温度、不同目的液浓度条件下的流变曲线，拟合出不同条件下的流变参数K、n值。

（1）实验介质。中低分子量抗盐、低分子量（非抗盐）、1 200～1 600 万中分子量（非抗盐）、1 600～1 900 万高分子量（非抗盐）、2 500 万超高分子量抗盐、3 500 万超高分子量抗盐6 种大庆油田常用聚合物。

（2）实验条件。溶液浓度1 000～7 000 mg/L，测试温度20～40 ℃。

（3）实验采用标准。GB 10247—2008《黏度测试方法》。

（4）实验仪器。安东帕MCR301 旋转流变仪（图1）、电子天平、IKA 电子搅拌器（图2）、磁力搅拌器等。

图1 安东帕MCR301 流变仪Fig.1 Anton-paar MCR301 rheometer

图2 IKA 电子搅拌器Fig.2 IKA electronic stirre

（5）实验步骤。实验步骤为：①按照5 000 mg/L浓度配比计算后称取一定量的聚合物干粉和污水；②将污水放置于电子搅拌器下，搅拌过程中加入聚合物干粉，再搅拌一定时间（本文取2 h），使其充分溶解熟化，配制成聚合物母液，取部分样品进行流变曲线测试；③在配制好的聚合物母液中加入定量的污水，用磁力搅拌器搅拌20 min，使其配制成需要的浓度（1 000～4 000 mg/L），配制好后每个浓度分别取部分样品进行流变曲线测试；④对于浓度为6 000 和7 000 mg/L 的样品，按照配制母液的方法分别配制，取部分样品进行流变曲线测试；⑤将配制好的样品放入MCR301 流变仪中，用旋转黏度法进行样品的流变特性测试，测试后利用仪器自带拟合程序进行流变曲线的拟合，得出流变参数K、n。部分测试结果见表2。

表2 配注系统测试部分参数Tab.2 Test parameters of injection and allocation system (excerpt)

3 流变参数在管径计算中的应用

模拟新建一条管道，对管道输送各类相对分子质量聚合物母液时的新旧参数进行对比。管道输量1 200 m3/d，长度2.0 km，材质为钢管，输送介质为浓度5 000 mg/L 聚合物母液。利用工艺计算软件Pipephase 9.1 进行聚合物母液管道管径选取的计算，计算结果见表3。

从模拟管道对比计算可以看出，n、K值修正后，中低分子量抗盐、高分子量、2 500 万超高分子量抗盐和3 500 万超高分子量抗盐聚合物母液管道压降比原参数有所降低，可以进一步缩小管径，降低投资。低分子量和中分子量聚合物母液管道压降比原参数压降略高，个别情况可能需要增大管径。母液浓度4 000 和6 000 mg/L 的实验结论与浓度为5 000 mg/L 的实验结论相同。

表3 聚合物母液管道计算Tab.3 Calculation of polymer mother liquor pipeline

4 结论

在进行聚合物驱配注系统产能规划方案编制及设计时，为使母液管道及单井管道选取更加精准，进一步降低油田地面系统建设投资，开展方案编制及初步设计之前建议对样品进行流变性测试，通过室内实验得出精确的流变参数，再进行管径选取计算。受方案编制及设计周期影响，不具备进行室内实验条件的项目，可以按照表2 进行管径选取计算。