CN110333163B - 一种w/o型含蜡原油乳状液触变特性的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种W/O型含蜡原油乳状液触变特性的预测方法，包括：将基础油样和W/O型含蜡原油乳状液分别在恒剪切应力加载条件下进行剪切；乳状液体系在恒定剪切应力作用下的剪切速率分为脱水原油和分散相液滴两部分的贡献；定义乳状液相对剪切速率为相同条件下基础油样的剪切速率与W/O型含蜡原油乳状液的剪切速率的比值；建立乳状液的平衡相对剪切速率与含水率、剪切应力的关系式；得出W/O型含蜡原油乳状液触变特性的预测模型；求取拟合参数A、B、K、D的值，最后获取任意含水率，任意加载应力条件下W/O型含蜡原油乳状液体系剪切速率随时间变化的触变性数据。本发明解决了W/O型含蜡原油乳状液触变特性数学描述问题。

Description

一种W/O型含蜡原油乳状液触变特性的预测方法

技术领域：

本发明涉及的是原油-水管道混合输送技术，具体涉及的是一种W/O型含蜡原油乳状液触变特性的预测方法。

背景技术：

随着陆上油气资源的日渐减少，全球的油气开发正全面向深海发展，在海上油田集输管道中，油气水混输已经成为主要的运输方法之一。油水混合输送过程中，油水两相因湍流及各类剪切作用而形成乳状液，因为原油中含有界面活性物质，所以更易形成W/O型乳状液。含蜡原油的流变性是输油管道能否安全再启动的最终决定因素，而触变性是原油管道停输再启动计算和原油可泵性评价的重要基础资料。

脱水含蜡原油的触变性测量需要经历油样的加热处理、降温和恒温静置等过程，非常耗时，而对于含蜡原油乳状液的触变性测量还要增加乳状液的配制过程，实验耗时更长。另外，我们不能配制生产实际中的所有含水率的乳状液。若实现对任意含水率含蜡原油乳状液触变性的定量描述，仅通过实验测量是不现实的。因此，有必要研究在少量实验的前提下，预测含蜡原油乳状液触变特性，能够实现对任意含水率含蜡原油乳状液触变特征的定量描述。

发明内容：

本发明的目的是提供一种W/O型含蜡原油乳状液触变特性的预测方法，该种W/O型含蜡原油乳状液触变特性的预测方法用于解决仅通过实验测量对任意含水率含蜡原油乳状液触变性进行定量描述是不现实的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种W/O型含蜡原油乳状液触变特性的预测方法包括如下步骤：

步骤一、将含蜡原油分成多份，进行预处理，得到基础油样，用于制备W/O型含蜡原油乳状液；

步骤二、利用步骤一得到的基础油样制备W/O型含蜡原油乳状液，得到多份不同含水率的W/O型含蜡原油乳状液；

步骤三、将步骤一得到的基础油样在恒剪切应力加载条件下进行剪切，得出剪切速率

步骤四、将步骤二制备的W/O型含蜡原油乳状液在恒剪切应力加载条件下进行剪切，得出剪切速率

步骤五、根据对W/O型含蜡原油乳状液触变性机理的分析，乳状液体系在恒定剪切应力作用下的剪切速率分为脱水原油和分散相液滴两部分的贡献，且分散相液滴对剪切速率的贡献为负值，其为

步骤六、定义乳状液相对剪切速率

为相同条件下基础油样的剪切速率

与W/O型含蜡原油乳状液的剪切速率

的比值，

步骤七、依据Broughton—Squires黏度模型，考虑到剪切应力的影响，乳状液的平衡相对剪切速率与含水率、剪切应力的关系为：

其中，

为乳状液平衡相对剪切速率；φ为体积含水率；τ为剪切应力，Pa；A、B、K为拟合参数；

步骤八、结合幂指数函数的规律，将步骤七中关系式变为：

其中，t为时间，s；D为拟合参数；

步骤九、整理步骤五、步骤六、步骤八的各个关系式，得出W/O型含蜡原油乳状液触变特性的预测模型：

其中，

为W/O型乳状液体系的剪切速率，s^-1；

为脱水原油贡献的剪切速率，可由脱水原油的触变性实验获得，s^-1；φ为体积含水率；τ为剪切应力，Pa；A、B、K、D为拟合参数；

步骤十、利用步骤二制备的W/O型含蜡原油乳状液进行实验测试，并求取拟合参数A、B、K、D的值；

步骤十一、将步骤十求取的拟合参数A、B、K、D的值代入W/O型含蜡原油乳状液触变特性的预测模型，获取任意含水率，任意加载应力条件下W/O型含蜡原油乳状液体系剪切速率随时间变化的触变性数据。

上述方案步骤一中对含蜡原油进行预处理的方法：

将从生产现场采取原油试样置于密封的油桶中运到实验室后，原油充分搅拌，然后分装到适当的磨口瓶内密封保存作为组分相同的实验油样；然后将其放入水浴中，静置加热至80℃，并恒温2h，然后取出实验油样室温下静置，自然冷却，恒温环境下静置48h以上，得到基础油样。

上述方案中利用基础油样制备W/O型含蜡原油乳状液的方法：

a)搅拌架上固定好容积为250ml的烧瓶，并将其置于预热好的乳状液配制温度的恒温水域中，配制温度选择析蜡点以上温度；

b)将基础油样和水在与a)中所述配制温度相同的恒温水浴中静止加热30min；

c)按体积含水率配比，分别量好基础油样的质量和水的体积后，立即倒入a)中所述的烧瓶中，然后，将搅拌桨置于被液体中央，开始搅拌；

d)将配制好的新鲜乳状液置于屈服实验测定的温控程序下静置，观察其稳定性；如果温控程序执行过程中出现破乳，则改变制备温度、搅拌时间、搅拌速度、加水方式，重复c)，直至配制出实验条件下稳定的W/O型含蜡原油乳状液。

上述方案中在恒剪切应力加载条件下进行剪切采用控应力流变仪。

上述方案中在恒剪切应力加载条件下进行剪切步骤为：将基础油样或W/O型含蜡原油乳状液快速装入控应力流变仪的测量筒内，然后以0.5℃/min的速率静态降温至原油凝点附近的实验温度，在实验温度下恒温静置一段时间，待胶凝结构充分形成后，对W/O型含蜡原油乳状液进行剪切。

上述方案中步骤十的具体步骤：

1)、基础油样析蜡特性测定，具体如下：

将步骤一得到的基础油样置入铝制坩埚中密封，密封后的坩埚放入差式量热扫描仪的测量池中，加热至80℃并恒温1min，然后以5℃/min的降温速率在氮气气氛下从80℃冷却到-20℃，结合热谱图曲线，把开始偏离基线的温度确定为原油的析蜡点；再计算得到析蜡温度以下各温度的原油累积析蜡量cw；

2)、依据石油天然气行业标准SY/T 0541-2009《原油凝点测定法》，使用石油产品凝点仪测定步骤二制备的W/O型含蜡原油乳状液的凝点；

3)、对步骤二制备的W/O型含蜡原油乳状液在凝点温度下进行小应力振荡时间扫描实验，确定其胶凝结构近似完全形成的时间；具体的步骤为：将W/O型含蜡原油乳状液在原油的析蜡点以上温度装入流变仪的测量筒内，以0.5℃/min的速率静态降温至W/O型含蜡原油乳状液的凝点，然后以1Pa剪切应力、0.1Hz振荡频率进行时间扫描实验，其储能模量和耗能模量近似不增加时，为胶凝结构形成时间；

4)、将步骤二制备的W/O型含蜡原油乳状液快速装入流变仪的测量筒内，然后以0.5℃/min的速率静态降温至原油凝点附近的实验温度，在实验温度下恒温静置步骤3)确定的胶凝结构形成时间，待胶凝结构充分形成后进行应力扫描实验，其储能模量与损耗模量相交点对应所对应的剪切应力为其触变实验最小施加应力；

5)、将步骤二制备的W/O型含蜡原油乳状液在恒剪切应力加载条件下进行剪切实验，剪切时间持续到剪切速率近似平衡；

6)、以剪切速率快速上升为W/O型含蜡原油乳状液屈服点判据，截去W/O型含蜡原油乳状液屈服前的蠕变段，触变段从屈服点开始，触变时间也从屈服点开始计时；

7)、整理不同应力加载条件下，基础油样和低含水率W/O型含蜡原油乳状液的触变性实验数据、基础油样和中含水率W/O型含蜡原油乳状液的触变性实验数据、基础油样和高含水率W/O型含蜡原油乳状液的触变性实验数据，应力加载条件下，剪切速率随时间的变化曲线，以持续最短触变时间为全部实验数据的实验截止时间；

8)、借助于datafit数据处理软件，利用步骤7)整理出的实验数据，求取W/O型含蜡原油乳状液触变特性的预测模型的拟合参数A、B、K、D。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供一种W/O型含蜡原油乳状液触变特性的预测方法，为原油-水管道混合输送的可泵性和原油管道停输再启动计算提供基础资料，同时丰富了原油流变学研究进展。

2、本发明解决了W/O型含蜡原油乳状液触变特性数学描述问题，该模型仅需3个含水率乳状液和脱水原油的触变性实验数据，即可较准确地预测任意含水率、任意剪切应力加载条件下W/O型含蜡原油乳状液的触变特性。

四、附图说明：

图1是DSC热谱图。

图2是33℃储能模量-时间曲线。

图3是33℃应力扫描曲线。

图4是34℃80Pa条件下剪切速率-时间曲线。

图5是34℃90Pa条件下剪切速率-时间曲线。

图6是34℃100Pa条件下剪切速率-时间曲线。

图7是34℃110Pa条件下剪切速率-时间曲线。

图8是34℃120Pa条件下剪切速率-时间曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

实施例1

在恒应力加载条件下，在34℃的实验条件下W/O型含蜡原油乳状液触变特性的预测方法，包括以下步骤：

1、含蜡原油实验样品的准备，即预处理，具体操作如下：

将从生产现场采取原油试样置于密封的油桶中运到实验室后，原油充分搅拌，然后分装到适当的磨口瓶内密封保存作为组分相同的实验油样；然后将其放入水浴中，静置加热至80℃，并恒温2h，然后取出实验油样室温下静置，自然冷却，存放在环境温度变化较小处静置48h以上，做为乳状液配制的基础油样。

2、含蜡原油析蜡特性测定，具体如下：

将基础油样4～8mg置入铝制坩埚中密封，密封后的坩埚放入差式量热扫描仪的测量池中，加热至80℃并恒温1min，然后以5℃/min的降温速率在氮气气氛下从80℃冷却到-20℃，结合热谱图曲线(如图1所示)，把开始偏离基线的温度确定为原油的析蜡点，测得该油样的析蜡温度为51℃；再计算得到析蜡温度以下各温度的原油累积析蜡量cw为21.51％。

3、乳状液的配制温度选择析蜡点以上温度(53℃)。

4、W/O型含蜡原油乳状液的制备，具体操作如下：

a)搅拌架上固定好容积为250ml的烧瓶，并将其置于预热好的乳状液配制温度(53℃)的恒温水域中。

b)将预处理后密封的基础油样和水在与配制温度相同的恒温水浴中静止加热30min后。

c)按体积含水率配比为0％、20％、40％、60％时分别量好原油的质量(0.17kg、0.13kg、0.1kg、0.067kg)和水的体积(0ml、40ml、80ml、120ml)后，立即倒入a)的烧杯中，然后，搅拌桨置于被液体中央，开始搅拌。

d)将配制好的新鲜乳状液置于屈服实验测定的温控程序下静置，观察其稳定性。如果温控程序执行过程中出现破乳，则改变制备温度、搅拌强度(包括搅拌时间和搅拌速度)、加水方式重复上述步骤c)，直至配制出实验条件下稳定的W/O型含蜡原油乳状液。该油样在制备温度为53℃，所用搅拌桨是4叶45°斜桨，搅拌速率为600r/min，搅拌时间为10min，加水方式为水一次性加入到油中的实验条件下形成稳定的W/O型含蜡原油乳状液。

5、按照步骤4配制W/O型含蜡原油乳状液，依据石油天然气行业标准SY/T0541-2009《原油凝点测定法》，使用石油产品凝点仪测定原油凝点，测得该样品的凝点为33℃。

6、对W/O型含蜡原油乳状液在凝点温度下进行小应力振荡时间扫描实验，确定其胶凝结构近似完全形成的时间。当储能模量基本平衡或者增加很缓慢时，定为其胶凝结构可以基本形成所需的时间。因为乳状液的析蜡温度较脱水原油高，因此只要脱水原油析蜡可以达到基本稳定，乳状液也可以达到稳定。具体的步骤为：将步骤4的新鲜乳状液在步骤3的温度(53℃)下装入流变仪的测量筒内，然后以0.5℃/min的速率静态降温至步骤5凝点温度(33℃)。然后以1Pa剪切应力、0.1Hz振荡频率进行时间扫描实验，其储能模量和耗能模量近似不增加时，为胶凝结构形成时间。实验结束后，将实验数据整理出来，绘制成储能模量与时间的图表，部分实验曲线如图2所示。经过数据处理可得：该W/O型含蜡原油乳状液的胶凝结构充分形成的时间为40min。对基础油样进行时间扫描，因为乳状液的析蜡温度较脱水原油高，因此只要基础油样析蜡可以达到基本稳定，乳状液也可以达到稳定。

7、将按照步骤4配制的最高含水率(40％)的W/O型含蜡原油乳状液立即装入流变仪的测量筒内，然后以0.5℃/min的速率静态降温至凝点(33℃)附近的实验温度。在实验温度下恒温静置步骤6确定的胶凝结构形成时间(40min)，待胶凝结构充分形成后进行应力扫描实验，其储能模量与损耗模量相交点对应所对应的剪切应力为其屈服实验最小施加应力。实验曲线如图3所示，并根据此拟确定实验施加的应力范围。本实验应力范围为80-120Pa。

8、按照步骤4配制的W/O型含蜡原油乳状液立即装入流变仪的测量筒内，测量筒的温度提前预热至乳状液配制温度(53℃)，然后以0.5℃/min的速率静态降温至凝点(33℃)附近的实验温度。在实验温度下恒温静置步骤6确定的胶凝结构形成时间(40min)，然后以恒定剪切应力的加载模式对胶凝结构进行剪切实验。

9、以剪切速率快速上升为实验样品屈服点判据，截去实验样品屈服前的蠕变段，触变段从屈服点开始，触变时间也从屈服点开始计时。脱水原油和3个原油乳状液(20％、40％、60％含水率)的屈服时间见表1：

表1 W/O型含蜡原油乳状液屈服时间总览表

10、整理不同应力加载条件下，基础油样和3个W/O型含蜡原油乳状液(10％、20％、40％含水率)的触变性实验数据(应力加载条件下，剪切速率随时间的变化曲线)，见图4-8，以持续最短触变时间为全部实验数据的实验截止时间即800s。

11、借助于datafit数据处理软件，利用步骤10整理出的实验数据，求取式中的模型参数A＝2.9241、B＝0.0122、K＝4.5699、D＝-0.0756，即：

其中，

为W/O型乳状液体系在恒定剪切应力加载下的剪切速率，s^-1；

为相同剪切条件下脱水原油的剪切速率，可由脱水原油的触变性实验获得，s^-1；φ为体积含水率；τ为加载的剪切应力，Pa；t为触变持续时间，s。

12、由

可获取任意含水率，任意加载应力条件下W/O型乳状液体系剪切速率随时间变化的触变性数据，见表2。

表2 34℃W/O含蜡原油乳状液触变性预测结果对比表

Claims (6)

1.一种W/O型含蜡原油乳状液触变特性的预测方法，其特征是包括如下步骤：

步骤一、对含蜡原油进行预处理，得到基础油样，用于制备W/O型含蜡原油乳状液，分成多份；

步骤二、利用步骤一得到的基础油样制备W/O型含蜡原油乳状液，得到多份W/O型含蜡原油乳状液；

步骤三、将步骤一得到的基础油样在恒剪切应力加载条件下进行剪切，得出剪切速率

步骤四、将步骤二制备的W/O型含蜡原油乳状液在恒剪切应力加载条件下进行剪切，得出剪切速率

步骤五、根据对W/O型含蜡原油乳状液触变性机理的分析，乳状液体系在恒定剪切应力作用下的剪切速率分为脱水原油和分散相液滴两部分的贡献，且分散相液滴对剪切速率的贡献为负值，其为

步骤六、定义乳状液相对剪切速率

为相同条件下基础油样的剪切速率

与W/O型含蜡原油乳状液的剪切速率

的比值，

步骤七、依据Broughton—Squires黏度模型，考虑到剪切应力的影响，乳状液的平衡相对剪切速率与含水率、剪切应力的关系为：

其中，

为乳状液平衡相对剪切速率；φ为体积含水率；τ为剪切应力，Pa；A、B、K为拟合参数；

步骤八、结合幂指数函数的规律，将步骤七中关系式变为：

其中，t为时间，s；D为拟合参数；

步骤九、整理步骤五、步骤六、步骤八中的各个关系式，得出W/O型含蜡原油乳状液触变特性的预测模型：

其中，

为W/O型乳状液体系的剪切速率，s^-1；

为脱水原油贡献的剪切速率，可由脱水原油的触变性实验获得，s^-1；φ为体积含水率；τ为剪切应力，Pa；A、B、K、D为拟合参数；

步骤十、利用步骤二制备的W/O型含蜡原油乳状液进行实验测试，并求取拟合参数A、B、K、D的值；

步骤十一、将步骤十求取的拟合参数A、B、K、D的值代入W/O型含蜡原油乳状液触变特性的预测模型，获取任意含水率，任意加载应力条件下W/O型含蜡原油乳状液体系剪切速率随时间变化的触变性数据。

2.根据权利要求1所述的W/O型含蜡原油乳状液触变特性的预测方法，其特征是：所述的步骤一中对含蜡原油进行预处理的方法：

将从生产现场采取原油试样置于密封的油桶中运到实验室后，原油充分搅拌，然后分装到适当的磨口瓶内密封保存作为组分相同的实验油样；然后将其放入水浴中，静置加热至80℃，并恒温2h，然后取出实验油样室温下静置，自然冷却，恒温环境下静置48h以上，得到基础油样。

3.根据权利要求2所述的W/O型含蜡原油乳状液触变特性的预测方法，其特征是：所述的利用基础油样制备W/O型含蜡原油乳状液的方法：

a)搅拌架上固定好容积为250ml的烧瓶，并将其置于预热好的乳状液配制温度的恒温水浴中，配制温度选择析蜡点以上温度；

b)将基础油样和水在与a)中所述配制温度相同的恒温水浴中静止加热30min；

c)按体积含水率配比，分别量好基础油样的质量和水的体积后，立即倒入a)中所述的烧瓶中，然后，将搅拌桨置于被液体中央，开始搅拌；

d)将配制好的新鲜乳状液置于屈服实验测定的温控程序下静置，观察其稳定性；如果温控程序执行过程中出现破乳，则改变制备温度、搅拌时间、搅拌速度、加水方式，重复c)，直至配制出实验条件下稳定的W/O型含蜡原油乳状液。

4.根据权利要求3所述的W/O型含蜡原油乳状液触变特性的预测方法，其特征是：所述的在恒剪切应力加载条件下进行剪切采用控应力流变仪。

5.根据权利要求4所述的W/O型含蜡原油乳状液触变特性的预测方法，其特征是：所述的在恒剪切应力加载条件下进行剪切步骤为：将基础油样或W/O型含蜡原油乳状液快速装入控应力流变仪的测量筒内，然后以0.5℃/min的速率静态降温至原油凝点附近的实验温度，在实验温度下恒温静置一段时间，待胶凝结构充分形成后，对W/O型含蜡原油乳状液进行剪切。

6.根据权利要求1或5所述的W/O型含蜡原油乳状液触变特性的预测方法，其特征是：所述的步骤十的具体步骤：

1)、基础油样析蜡特性测定，具体如下：

将步骤一得到的基础油样置入铝制坩埚中密封，密封后的坩埚放入差式量热扫描仪的测量池中，加热至80℃并恒温1min，然后以5℃/min的降温速率在氮气气氛下从80℃冷却到-20℃，结合热谱图曲线，把开始偏离基线的温度确定为原油的析蜡点；再计算得到析蜡温度以下各温度的原油累积析蜡量cw；

2)、依据石油天然气行业标准SY/T 0541-2009《原油凝点测定法》，使用石油产品凝点仪测定步骤二制备的W/O型含蜡原油乳状液的凝点；

3)、对步骤二制备的W/O型含蜡原油乳状液在凝点温度下进行小应力振荡时间扫描实验，确定其胶凝结构近似完全形成的时间；具体的步骤为：将W/O型含蜡原油乳状液在原油的析蜡点以上温度装入流变仪的测量筒内，以0.5℃/min的速率静态降温至W/O型含蜡原油乳状液的凝点，然后以1Pa剪切应力、0.1Hz振荡频率进行时间扫描实验，其储能模量和耗能模量近似不增加时，为胶凝结构形成时间；

4)、将步骤二制备的W/O型含蜡原油乳状液快速装入流变仪的测量筒内，然后以0.5℃/min的速率静态降温至原油凝点附近的实验温度，在实验温度下恒温静置步骤3)确定的胶凝结构形成时间，待胶凝结构充分形成后进行应力扫描实验，其储能模量与损耗模量相交点所对应的剪切应力为其触变实验最小施加应力；

5)、将步骤二制备的W/O型含蜡原油乳状液在恒剪切应力加载条件下进行剪切实验，剪切时间持续到剪切速率近似平衡；

6)、以剪切速率快速上升为W/O型含蜡原油乳状液屈服点判据，截去W/O型含蜡原油乳状液屈服前的蠕变段，触变段从屈服点开始，触变时间也从屈服点开始计时；

7)、整理不同应力加载条件下，基础油样和低含水率W/O型含蜡原油乳状液的触变性实验数据、基础油样和中含水率W/O型含蜡原油乳状液的触变性实验数据、基础油样和高含水率W/O型含蜡原油乳状液的触变性实验数据，应力加载条件下，剪切速率随时间的变化曲线，以持续最短触变时间为全部实验数据的实验截止时间；

8)、借助于datafit数据处理软件，利用步骤7)整理出的实验数据，求取W/O型含蜡原油乳状液触变特性的预测模型的拟合参数A、B、K、D。

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