高含水低温原油乳化含水率普适性预测模型.pdf
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1、第30卷 第5期 2023年10月 Vol.30 No.5 Oct.,2023 收稿日期:2023-03-08 改回日期:2023-06-21 作者简介:刘清源(1991),男,工程师,2014年毕业于中国地质大学长城学院资源勘查工程专业,主要从事原油生产、集输管理工作。E-mail:cy5_ 69 世界石油工业World Petroleum IndustryE 能源工程Energy Engineering文章编号:1006-0030(2023)05-0069-007 DOI:10.20114/j.issn.1006-0030.20230308001 高含水低温原油乳化含水率普适性预测模型 刘
2、清源1,穆化巍2,黄茜2,傅新勇1,胡俊平1,郭自强1,任春燕1(1.中国石油华北油田分公司第五采油厂,河北 石家庄 052360;2.中国石油华北油田分公司,河北 任丘 062552)摘要:高含水原油乳化含水率的测定对于低温集输工艺的推广尤为重要,采用蜡沉积冷指实验装置测试不同实验条件下的乳化含水率,通过Spearman相关系数考察影响因素之间的重叠关系,利用两步回归法建立乳化含水率与原油物性的关系,并进行多算法全局非线性回归参数的优化和误差分析。结果表明,温度从36 降至26 时,不同体系含水率下的乳化含水率从26.03%减小至3.00%;体系含水率从80%升至99%时,不同温度下的乳化含
3、水率从31.23%减小至3.60%。基于全局优化算法的参数估计精度明显优于线性变换法,模型误差大部分均在10%范围内,模型适用凝点以下10 凝点、含水率80%95%、剪切速率20.184.5 s1的油水两相体系。研究结果可为低温集输工艺的流动安全保障提供实际参考。关键词:高含水;低凝点;乳化含水率;普适性模型;回归分析 中图分类号:TE832.3 文献标识码:A Universal model of emulsified water cut for high water cut crude oil at low temperature LIU Qingyuan1,MU Huawei2,HUAN
4、G Qian2,FU Xinyong1,HU Junping1,GUO Ziqiang1,REN Chunyan(1.No.5 Oil Production Plant of PetroChina Huabei Oilfield Company,Shijiazhuang,Hebei 052360,China;2.PetroChina Huabei Oilfield Company,Renqiu,Hebei 062552,China)Abstract:In order to establish a universal model suitable for emulsifying water cu
5、t of high water cut crude oil at low tempera-ture,wax deposition cold finger experimental device was used to test emulsifying water cut under different experimental condi-tions,Spearman correlation coefficient was used to investigate the overlapping relationship between influencing factors,and the r
6、elationship between emulsifying water cut and crude oil physical properties was established by two-step regression method.The optimization and error analysis of global nonlinear regression parameters are also carried out.The results show that the emulsifi-cation water cut is related to shear conditi
7、on,oil physical property and water phase composition.Collinearity exists between col-loid and water salinity and other factors.The accuracy of parameter estimation based on the global optimization algorithm is ob-viously better than that of the linear transformation method,and most of the model erro
8、rs are within the range of 10%.The model applies to the oil-water two-phase system with the freezing point of 10 freezing point,water content of 80%95%and shear rate of 20.184.5 s-1 below the freezing point.The research results can provide practical reference for the popularization of low temperatur
9、e gathering and transportation technology of crude oil.Keywords:high water cut;low freezing point;emulsified water cut;universal model;regression analysis随着油气田的深入开发,油水混输现象普遍存在。因胶质、沥青质等天然乳化剂的存在,在流动剪切作用下油水两相易形成乳状液,从而改变两相黏度、转相点,进而对管输流型和压降产生影响。目前,中国大部分油田已进入中高含水期,原油流动性大幅提升,已通过实验和现场实践证实了油品可在低于凝点温度下输送12,但当
10、集输温度低于凝点时,乳化含水率的提升会增加混合液黏度,从而影响流动能力。在实际生产中,室内实验手段确定的原油含水率多为体系含水率,未区分乳化水和游离水,且实验条件与管流实际的混合条件也有所区别。蒲万芬等3利用核磁共振Vol.30 No.5 Oct.,2023 70 世界石油工业World Petroleum IndustryE能源工程 Energy Engineering 技术分析了乳状液黏度、界面张力等因素与乳状液稳定性之间的关系;谢建勇等4通过改变水相中氯离子含量,得到了粒径分布与乳状液稳定性的关系;李照成等5采用旋转黏度计测试了不同含水率和温度下的原油乳状液物性,得到了黏度变化趋势;文江
11、波等6-7从能量分析的角度,建立了最大体系含水率80%、温度高于凝点的乳化含水率模型。以上研究多从定性或半定量角度考察乳化含水率的影响因素,未针对高含水低温原油的工况进行分析。基于上述问题,本文采用蜡沉积冷指实验装置模拟油水乳化,利用外延法确定初始时刻的游离水析出量;通过Spearman相关系数考察影响因素之间的多重共线性关系;利用两步回归法建立乳化含水率的普适性模型,并进行多算法非线性回归参数的优化和误差分析,提高模型预测准确性,为低温集输工艺的推广和应用提供理论依据。1 油水乳化实验 1.1 实验材料 实验油样来自大庆油田、吉林油田、辽河油田和华北油田各采油厂部分区块数据,油品物性参数见表
12、1。根据关键组分选择实验样品,原油14号属于低硫石蜡基,59号属于环烷-中间基,1012号 属于石蜡-中间基,1315号属于中间-石蜡基,涵盖了大部分常见的原油种类。考虑到稠油和超稠油在开采过程中通常使用泡沫驱、空气驱或火驱等方式开发,井口采出液温度较高,不在低温集输的范围内,故本文不考虑这部分油品。1.2 实验装置及步骤 借鉴Couto等8的蜡沉积冷指实验装置测试油水两相体系的乳化含水率。装置由搅拌槽、循环水浴、搅拌器(带数显功能)、数字扭矩仪和分水装置等组成(见图1)。循环水浴温控区间590,搅拌器转速范围101 000 r/min。鉴于油田现场的采出液含水率超过80%,故以70%95%的
13、体系含水率作为实验条件,温度取凝点以下10 到凝点。实验步骤9:(1)将原油和采出水按等比例混合加入搅拌槽中,设置循环水浴温度,在实验温度下保持恒温510 min,以保证每组实验的初始状态相同。(2)设定搅拌转速,对油水混合物搅拌10 min,记录搅拌转速和扭矩值,根据能量耗散原理,计算当前转速对应的管道剪切速率。(3)实验完成后,立即打开搅拌槽出水阀,将液体排入分水装置,记录分水装置中游离水的累计析出量,绘制拟合时间累计析出量曲线,根据外延法确定初始时刻的游离水析水量,进而计算乳化含水率e。表1 实验油品物性 Tab.1 Physical properties of experimental
14、 oil products 原油种类 凝点/蜡含量/%沥青质/%胶质/%机械杂质/%水相矿化度/(mgL1)水相pH值 1号 36 22.8 25.7 25.7 0.051 5 12 221 6.5 2号 28 20.2 24.1 5.8 0.276 5 10 625 7.2 3号 38 22.5 0.7 17.7 0.000 7 8 929 7.5 4号 28 17.5 6.2 1.5 0.008 7 7 519 6.1 5号 16 6.1 8.5 4.1 0.015 4 7 026 6.3 6号 25 3.5 3.7 0.9 0.024 8 5 518 7.0 7号 39 15.4 10.
15、1 2.1 0.006 9 37 180 5.9 8号 38 5.7 0.6 1.5 0.007 6 16 275 6.6 9号 21 20.1 0 18.3 0 12 519 6.9 10号 16 22.25 0.24 17.0 0 10 457 6.8 11号 23 11.6 0 9.7 0 2 119 5.7 12号 5 7 7.8 32.9 0.651 8 3 485 6.2 13号 23 18 3.47 18.65 0.071 14 563 6.9 14号 28 15.0 0.2 24.0 0 3 512 6.8 15号 31 0 0 4.33 0.221 2 157 6.1 第30
16、卷 第5期 2023年10月 刘清源 等:高含水低温原油乳化含水率普适性预测模型 71 图1 实验装置示意图 Fig.1 Schematic diagram of experimental device 1.3 乳化含水率影响因素分析 1.3.1 乳化含水率与温度的关系 考察凝点以下10、8、5、3 和凝点对乳化含水率的影响(见图2)。以1号原油为例,温度从36 降至26 时,不同体系含水率下乳化含水率从26.03%减小至3.00%。这是由于一方面温度降低会减小分子间的热运动,减缓水相液滴布朗运动进程,降低液滴碰撞和聚并,导致乳化含水率升高;另一方面,温度降低也会增加两相黏度,阻碍油品流动,导
17、致乳状液的形成速率迅速降低。显然在低于凝点的条件下,黏度作用强于热效应,乳状液的稳定性变强,充分说明低温管输流动的特殊性。图2 温度对乳化含水率的影响(剪切速率20.1 s-1)Fig.2 Influence of temperature on emulsion moisture content(shear rate 20.1 s1)1.3.2 乳化含水率与体系含水率的关系 为避免转相点的影响,考察80%、85%、90%、95%和99%的体系含水率对乳化含水率的影响(见图3)。以1号原油为例,体系含水率从80%升至99%时,不同温度下乳化含水率从31.23%减小至3.60%。这是由于胶质、沥青
18、质、蜡晶等活性物质在促进乳状液形成的过程中,有向着油水界面膜附着的趋势,当体系含水率升高时,这种趋势和形成路径变大,导致乳状液的形成速率降低。油水界面膜的吸附强度可以采用吉布斯吸附公式10表征。当体系含水率升高时,活性物质在界面膜上的吸附强度降低,界面膜上的活性物质浓度比水相内部小,水相中的液滴已形成游离水。1.3.3 乳化含水率与剪切速率的关系 考察20.1、30.6、42.5、55.5、84.5 s1的剪切速率对乳化含水率的影响(见图4)。随着剪切速率增大,乳化含水率呈先慢后快再慢的增长趋势。以1号原油为例,当剪切速率从20.1 s1增至42.5 s1,26 下的乳化含水率从7.79%增至
19、8.87%,此时油相和水相液滴可能尚未突破分子间的界面能限制;当剪切速率从42.5 s1增至55.5 s1,26 下的乳化含水率从8.87%增至21.5%,此时溶解在油中的胶粒数量有所增加,形成粒径小、数量多的形态,原油乳化速率增大;当剪切速率从55.5 s1增至84.5 s1,26 下的乳化含水率从21.5%增至23.4%,受实验装置尺寸和油品物性的影响,液滴呈有序饱和状态,乳化含水率变化缓慢。剪切速率主要对液滴的尺寸和大小产生影响,可用关于胶体稳定性的DLVO理论解释11,将原油乳状液看成由多个带点胶体组成,其稳定或聚沉与静电斥力和长程范德华力有关。Vol.30 No.5 Oct.,202
20、3 72 世界石油工业World Petroleum IndustryE能源工程 Energy Engineering 图3 体系含水率对乳化含水率的影响(剪切速率42.5 s-1)Fig.3 Influence of water content of system on emulsion water content(shear rate 42.5 s1)图4 剪切速率对乳化含水率的影响(体系含水率90%)Fig.4 Influence of shear rate on emulsion water content(moisture content of system 90%)2 乳化含水率普
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