大庆原油低温流变特性量化表征

大庆原油低温流变特性量化表征

马伟平1 赵皓2 李立2 王诗鹏3 曹曰坤4 张利军2

(1.中国石油管道科技研究中心;2.中国石油管道公司;

3.中国石油管材研究所;

4.滨州黄河河务局惠民黄河河务局)

马伟平等.大庆原油低温流变特性量化表征.油气储运,2010,29(8):634-637.

摘要:针对东北管网低输量输送大庆原油安全运行的要求,基于流变学理论分析和管输模拟试验研究结果,建立了大庆原油流变特性参数凝点、粘度(表观粘度)、屈服应力与管输条件下热历史和剪切历史关系的数学模型。引入了原油存在不完全可逆性参数的H ouska触变模型适用于描述大庆原油的触变特性。通过试验,得到了铁大线、秦京线管输条件下大庆原油的触变模型参数。研究成果应用于大庆原油管道低输量运行特性和安全性评价,基于热油管道流动安全性定量评价方法,得到了铁秦线不同输量下最低安全进站温度。

主题词:大庆原油;低温;流变特性;凝点;粘度;触变性;屈服应力;量化表征

含蜡原油低于反常点温度,表现为假塑性、触变

性、屈服性等复杂的非牛顿流体性质,其流变特性与

热历史、剪切历史密切相关。使用流变仪通过少量

试验确定原油流变特性数学模型的关键参数,利用

数值模拟研究含蜡原油管道运行特性和安全性评

价,已成为含蜡原油流变特性工程应用研究的发展

方向。 十五 期间大庆油田产量逐年递减,大庆原

油年输量由4860 104t降至2800 104t,东北管

网面临低输量运行的严峻事实。针对东北管网低输

量输送大庆原油安全运行的要求,研究大庆原油低

温(低于反常点温度)流变特性随管输条件热历史、

剪切历史变化的规律,建立大庆原油凝点、粘度(表

观粘度)、触变性、屈服应力与管输条件下热历史、剪

切历史关系的数学模型,为指导东北管网的安全运

行提供理论依据。

1管输模拟方法

文献[1]按照流体的体积平均能量耗散率计算

平均剪切率,以粘性流动能量耗散或熵产作为剪切

作用的模拟量,实现了原油管输条件下热历史和剪

切历史的定量模拟。原油流动过程的能量耗散为:

=2f v3

d t(1)

式中: 为原油流动过程中的能量耗散,J/m3;v为

原油在管道中的流速,m/s;d为管内径,m;t为原油

流过一个站间的时间,s;f为Fanning摩阻因数;

为原油密度,kg/m3。

管输模拟试验装置(图1)主要由密闭搅拌槽、

IKA调速搅拌器和H AA KE F8程控水浴组成。试

验在密闭环境下进行,定量模拟大庆原油经历的热

历史和剪切历史,在此基础上测试原油流变性参数。

搅拌槽内流体的平均剪切速率为:

av=1000

K t

1

n+1

(幂律流体)(2)

av=1000

t

1

(牛顿流体)(3)

式中: av为搅拌槽内流体的平均剪切速率,s-1;t 为

模拟试验时间,s;K为稠度系数,mPa s n;n为流变

行为指数; 为流体的动力粘度,mPa s。

2大庆原油管输条件数学模型

2.1原油凝点与管输条件模型

定义 动冷终温 为原油在管输模拟试验装置中

经历剪切作用,同时从热处理温度动态降至一定温

度,而取样测试原油凝点和粘度的终冷温度,相当于

科技攻关项目:中国石油天然气股份有限公司 十五 科技攻关项目 大庆原油低温流变特性量化表征及应用 ,040103。

作者简介:马伟平,工程师,1979年生,2004年硕士毕业于中国石油大学(华东)油气储运工程专业,现主要从事油气管道标准研究工作。

电话:0316 *******。E mail:maw eiping2001@

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管道稳态运行过程的进站温度和停输再启动过程的

原油初始停输温度。图1 原油管输模拟装置 基于上述定义,建立了反映大庆原油凝点与热处理温度(45~65 )、动冷终温(30~36 )关系

的数学模型,与按照凝点测试标准通过静态降温测

试的凝点相比,更具有实际指导意义。已知热处理

温度和在该热处理温度下经静态冷却测试的原油凝

点,即可预测大庆原油管输过程中在30~36 任一

动冷终温 范围内的凝点。

T gd =T gR -0.483+0.378

exp -1.657265-T R T R -45

0.5702 36-T d (4)(30 T d 36 ;45 T R 65 )式中:T gd 为动冷终温T d 的凝点, ;T gR 为在45~65 热处理温度范围内经静态冷却测试的原油凝点, ;T d 为动冷终温, ;T R 为热处理温

度, 。

对比52个凝点预测值与实测值(图2),凝点最

大绝对偏差1.75 ,总体平均绝对偏差为0.58 。

绝对偏差小于0.5 的数据点23个,为总数的

44.2%;绝对偏差大于0.5 小于1 的数据点

20个,为总数的38.4%;绝对偏差大于1 的数据

点9个,为总数的17.4%。

2.2原油粘度与管输条件模型

基于文献[2]的含蜡原油粘温关系机理模型,建

立了反映大庆原油粘度(表观粘度)与热处理温度、

动冷终温关系的数学模型。计算了45~65 范围

内任一热处理温度下大庆原油动冷终温34 的稠

度系数和流变行为指数,再利用粘温关系机理模型,预测大庆原油在该热处理温度下凝点以上任一温度的粘度。

图2 原油凝点数学模型预测值与实测值的对比

当45 T R 53 时,K 34=36.246T R -1372.1(5)n 34=10.0248T R +0.1705(6) 当53 T R 65 时,K 34=10.9721exp [0.40046(T R -53.682)]+689.701(7)n 34=1.1508ex p [0.6829(T R -66.691)]

+1.4741-1(8)式中:K 34为大庆原油动冷终温34 的稠度系数,

m Pa s n ;n 34为大庆原油动冷终温34 的流变行为

指数。

含蜡原油粘温关系机理模型为:

=A ex p (E a /RT ) [1-k 0k( )c]-2.5(9)式中: 为含蜡原油粘度,Pa s;A 为指前因子或称频率因子(由析蜡点以上原油液相粘度计算得到),Pa s;E a 为粘性流动活化能(由析蜡点以上原油液相粘度计算得到),J/mo l;T 为绝对温度,K;R 为气体常数,取8.314J/(m ol K );k 0k( )为剪切因子,与蜡晶颗粒和液相原油性质有关,由非牛顿流体温度下原油表观粘度与剪切率关系计算确定;c 为析蜡量随温度的变化关系。对比468个粘度预测值与实测值(图3),总体平均相对偏差为9.42%。相对偏差小于5%的数据点51个,为总数的10.9%;相对偏差在5%~10%的数据点312个,为总数的66.7%;相对偏差大于10%的数据点105个,为总数的22.4%。

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