石油粘度关联预测模型研究进展.pdf

易玉峰 1， 李术元1， 丁福臣2 石油粘度关联预测模型研究进展 * 第 37 卷第 5 期 2008 年10 月 当代化工 c o n t e m p o r a r y c h e m i c a l i n d u s t r y v o 1 . 3 7 ， n o . 5 o c t o b e r ， 2 0 0 8 摘要： 总结了见诸文献的石油粘度关联模型， 分析了各种类型石油粘度的影响因素， 评述了 各类模型的优点和不足。认为在关联预测石油粘度， 尤其是高蜡、 胶质和沥青质含量石油时， 由于石 油的非牛顿性表现很明显， 必须综合考虑石油的组成、 温度、 压力、 溶解气、 石油的乳化状况、 水含量 等因素才能作出比较准确的关联。 关键词： 粘度； 沥青质； 油藏； 石油乳状液； 含蜡油； 关联模型 中图分类号： t e8 3 3文献标识码： a文章编号： 1 6 7 1 - 0 4 6 0（2 0 0 8 ） 0 5 - 0 5 3 2 - 0 5 石油粘度是油田开发、 油气集输以及石油加 工工艺过程设计中必不可少的基础物性数据。 如 果拥有可供工程设计使用的石油粘度的实测值 是最好的， 然而， 由于石油体系本身及其所处环 境的复杂和多变性， 完全依赖实验方法不可能确 定石油的粘度。因此， 如何从少量实验数据来关 联或仅从石油的组成等物性数据来推算石油的 粘度， 无疑是十分重要的。目前粘度的预测方法 有多种， 基本可以分为三类。 第一类是图表法， 可 从各种基本物性手册或工艺设计手册中查到部 分粘度数据和物性参数， 然后根据推荐的公式进 行计算。这类方法的优点是很方便， 缺点是误差 较大，通常误差在 20%以上。 第二类是在一定 理论的基础上， 如反应速率理论、 自由体积理论， 硬球理论等， 结合运用状态方程、 对应状态原理 或基团贡献理论等对粘度进行关联。 这类模型的 优点是具有一定的理论基础， 参数物理意义很明 确， 适用范围广， 预测精度比前一种高， 缺点是需 要的基本物性参数较多， 有的基本物性参数是很 难得到的。另一类是性质关联式法， 一般通过经 验或回归方法， 建立粘度与其它易测或已知性质 之间的关系。此方法的优点是精度较高， 计算不 复杂， 缺点是模型参数的物理意义不明确， 且只 能针对某一个物系才具有较高的准确度。 1石油粘度关联预测模型 地面石油粘度是管输、 泵送、 石油加工工艺 过程设计和油品使用性能评价中不可缺少的物 性数据。 因中压以下压力对地面石油的粘度影响 不大， 通常考虑的影响因素主要有温度、 石油组 成 （蜡、 胶质和沥青质含量的影响最大） 、 水含量、 乳化状况和化学添加剂含量等。 1 . 1 常规石油粘度关联模型 常规石油粘度关联中通常只考虑温度的影 响。abdel- latif 1等建立了黏温关联方程。对 13 种来自世界各地的不同石油的 316 个粘度数据 进行关联平均误差为 3.05%。 ln（0.8 ） a- 3.7 ln （t ） a4.341 4 （tbd ） 0.2 6.691 3 文献2报道了一种使用石油 15.6 的密度 和 50%的馏出温度的关联模型。对来自世界各 地的 15 种石油的 47 种馏分的 250 个运动粘度 数据的关联表明， 绝对误差仅为 4.2%。 ln(/t)=59.06 （tb） 0.1546m0.4791 （ / t ） -（18.103+lnm ） =d2- 1.110- 3(t- 15.6)1/2 m=219.05exp(0.003924 （ tb+273.15 ） exp(- 3.07s) * 收稿日期： 2008-06-02修订日期： 2008-06-17 基金项目： 国家自然科学基金资助项目， 批准号： 40472061 作者简介： 易玉峰 （1974 ） ， 男， 工程师， 博士生， 从事稠油降粘的研究工作， e- mail： 。 丁福臣 （1964 ） ， 男， 教授， 硕士生导师， 从事清洁燃料生产方面的研究工作， 电话 e- mail： 。 （1. 中国石油大学 （北京 ） 化工学院， 北京 102249；2. 北京石油化工学院化工系， 北京 102617 ） （tb+273.15 ） 0.118 s 1.88 s = d / 0.999 024 takeshige3等用 15.6 的密度和石油的分 子量对石油的粘度进行关联， 绝对误差 15.9%。 log = 1.37 （d logm ） 2+16.12 （d logm ）- 2- 9.06 h. m. moharam 4 等建立了 15.6 密度、 50%馏出点温度 tb和温度与粘度之间的关联模 型用来关联沸点范围为 83553 重油的粘度， 绝对误差 6.5%。 ln=1.0185exp （tb t ） da- 3.241 a=tb/ 305.078 -0.555 26 naseri 等5分别针对脱气石油、 饱和油和不 饱和油建立了 api 值、 温度和压力与粘度之间的 关联方程，其中 od是脱气石油粘度， ob是饱和 油的粘度， 压力以 psi 为单位， t 的单位是f。 用 来预测伊朗石油的粘度， 具有比较准确的预测结 果， 但作者声明该模型用于别的石油粘度预测时 可能会有较大的误差。 脱气石油： od=anti log (11.2699- 4.2699 log api- 2.052 log t ) 饱和油： ob= 101.1145pb- 0.4956 od0.9961 不饱和油： =ob+a （p- pb） a =1.5029 10- 5+1.60210- 5od +1.73695 od2-4.234710- 6od- 3 orbey6建立了重油的关联模型。 由于重油的 沸点 tb难以得到， orbey 的关联模型应用具有较 大的局限性。 ln r =k- 1.6886+ 1.4010 （t/tb）+ 0.2406 （t/tb） 2 k= 0.143+0.004 63tb-0.000 004 05tb 2 maria7等建立了用溶液稀释石油的粘度关 联模型， 该模型具有 6.5%的误差。 ln =1.0185 exp （tb/t ） da+ - 3.242 1 a= tb /305.078- 0.555 26 miadonye8建立了关联方程， 其中， a、 b、 c 是经验常数。该方程有 5%的误差。 ln = 2.302 59 （log 30a ） / 1+ （t- 30 ） /303.15s + a s=a （log 30- b） +c 以上模型的共同点时利用容易测得的物性 参数建立关联预测模型， 模型对特定的石油都具 有一定的准确性， 但难适用于别的种类的石油粘 度关联。 1 . 2 高含蜡石油的粘度关联 高蜡含量对石油粘度有较大的影响。 温度在 析蜡点以上， 蜡溶解于石油中， 石油基本上是液 态单相体系， 其粘度主要取决于轻质油、 芳烃及 沥青质和胶质的相对含量， 蜡含量对石油的粘度 影响很小， 粘度只随温度而变化， 具有牛顿流体 的特性。石油的黏温关系可用 astm （美国试验 材料学会） 推荐的 watther 经验公式、 arrhenius 公式等进行关联。文献9- 10表明， 高含蜡石油 低温下为非牛顿流体。letoffe11报道， 对于蜡含 量大于 10%的石油， 在倾点温度下约有 2%质量 的蜡析出。holder 等12认为， 当蜡结晶量达到油 品总量的 2%时， 就足以使油品发生胶凝而失去 流动性。rnningsen 等13报道， 石油的粘度不仅 与析蜡量有关， 而且还与蜡的性质有关。 因此， 温 度在析蜡点以下， 石油为非牛顿流体， 析蜡量、 蜡 的结晶形态、 蜡的碳数分布等都对石油的粘度有 较大影响。 abdel- waly 等14将蜡人为加入到石油中去， 考察了石油蜡含量和表观粘度的关系， 建立了下 面的关联模型，其中， w 为蜡的质量百分含量， 该模型对含蜡石油的粘度关联具有一定精度， 其 不足是没有考虑剪切速率的影响。 ln=1.4280- 8.7446 （1w ） /t+ 2269.3 （1+w ） /t2 rygg 等15建立了蜡含量与表观粘度之间的 简单关联方程，其中 vwax是蜡所占的体积， x 是 经验常数。 显然该方程也没有涉及到剪切速率而 应用有限。 ln (oil +wax)=lnoil+x vwax pedersen 等16建立了剪切速率和蜡的体积 百分数之间的关联模型，其中 w 是蜡的体积百 分数， l是油相的表观粘度， 是剪切速率。 实验 数据验证表明具有 47%的误差。 al- fariss 等17- 20用统计学方法归纳出粘度 与蜡含量之间的关系， 其中， a、 b、 c、 d 和 n 都是 经验常数， w 是蜡的质量百分含量， 是剪切速 率。 该模型不仅可以用来预测非牛顿区石油的粘 度， 而且其简化式还可预测牛顿区的粘度。 533易玉峰， 等： 石油粘度关联预测模型研究进展2008 年 10 月 (b/)(+a)/an- 11/nexp （c/t+ dw ） 石油大学张劲军等21报道蜡的沉积量、 剪切 速度和所经历的热历史都对石油的粘度有较大影 响。他们建立了基于剪切速率的关联模型， 其中， k （ ） 为剪切因子， 随剪切速率的增大而减小。0是 连续的油相的粘度， 0和 w分别是油相和蜡的密 度， w 是蜡的质量百分含量。 用 33 种石油的 3458 实验数据检验表明， 平均绝对误差为 7.43%。 =01- k()(0/w)w- 2.5 含蜡 （高蜡） 石油的粘度关联比常规原有复 杂得多，因为影响因素多了蜡含量和蜡的状态， 使石油流体有可能处于牛顿和非牛顿流体之间， 此外剪切速率的影响也不可忽视。 有待更多综合 考虑各个因素的模型的出现。 1 . 3 高沥青质石油的粘度关联 沥青质和胶质对石油粘度的影响比蜡更加 复杂。这是因为沥青质和胶质极性较大， 容易聚 集在一起而聚沉。 peng luo 等22考察沥青质浓度 对石油粘度的影响， 基于胶体分散理论建立了关 联预测模型， 其中 e是粘流活化能， r 是理想气 体状态方程中的常数。 该模型在不太大的温度范 围 （60 ） 和一定的沥青质浓度内有较高的准 确性。 但利用粘流活化能不能清晰表明沥青质浓 度的影响。 仅仅考虑沥青质对于粘度的影响可能 还比较偏颇， 因为胶质对于沥青质的存在状态具 有较大的影响。 因此深入的研究工作应综合考虑 沥青质和胶质的影响。 ln （t ）/60 =e/r(1/t- 1/333.15) 1 . 4 混合石油粘度的关联 计算混合物粘度的方程很多， 能应用于石油 粘度计算的有 arrhenius 公式、 bingham 公式、 kendal- monroe 公式、 lederer 方程和双对数公 式，这些计算公式适用于粘度比在 1100 之内 的石油粘度关联预测。 其中 xa， xb是质量， va， vb 是体积分数， a 是经验常数。 arrhenius 公式： log=valoga+vblogb bingham 公式： 1/=va/a+vb/b kendal- monroe 公式： = （maa1/3+mbb1/3） 3 双对数公式 ： log log=xalog loga+(1- xa) log logb lederer 方程 ： ln=xalna+xblnb xa=ava/(ava+vb) xb=1- xa 混合石油的粘度在粘度相差不太大， 石油组 成差别不大的情况下通常都有较好的准确性。 但 由于模型比较简单， 没有涉及到混合过程中石油 的组成对粘度的影响， 因此这类模型只能在一定 范围内使用。 1 . 5 石油乳状液的粘度关联 石油混入水后， 在沥青质、 胶质和非烃化合 物等极性表面活性物质的作用下容易形成乳状 液。 若形成水包油型乳状液， 表观粘度大幅降低， 若形成油包水型乳状液，其表观粘度大幅升高。 油水体积比、 连续相和分散相各自的粘度、 剪切 速度 （对于非牛顿流体而言） 、 温度、 表面活性物 质的性质和浓度、 混入乳液中的其它固体杂质以 及乳液的粒径等都对乳液的粘度有影响。 其中分 散相和连续相的体积比是影响石油粘度的关键 因素。 乳液的粒径分布对乳液的粘度有较大的影 响， pal 等23- 24发现， 当乳液粒度减少时， 无论对 水包油型还是油包水型乳液其粘度都大幅增加。 乳状液的粘度通常用相对粘度 （r=相对 乳状液/连续相， r） 来表示。温度相同的条件下， 以 分散相和连续相体积比做变量， 在分散相比例较 小， 且假定分散相为无相互作用的小球时， 其粘 度通常用 einstein 方程进行计算。marco 等25考 虑分散相高比例， 彼此之间存在相互作用和影响 的情况下， 校正了 einstein 方程。phan- thien 26 建立了另一种浓分散相粘度模型， 其中 c、 d分 是连续相和分散相的粘度， 是分散相的体积分 数。在较低的体积分数下， 该模型具有较好的预 测结果 pal 等27- 30建立了粘度模型， 其中 是分散 相的体积分数， c是连续相的粘度， re 是雷诺 数， m是分散相的最大聚集百分数， a0、 a1、 a2是 经验常数。对于 0.7 和 0.7 分别使用不同 的计算模型。该模型综合考虑了较多的影响因 素， 因而具有较高的准确性。 ronningsen31在 richardson 模型32的基础上 建立了分散相体积分数和温度与相对粘度之间 的关联模型， 其中 c是连续相的粘度， a、 b、 c、 d 是经验常数。 该模型用来预测北海石油油包水型 534当代化工第 37 卷第 5 期 乳状液有较好的准确性。 ln （/c ）=a + bt +c + dt einar eng johnsena 33- 34 用北海石油 （api 1938 ） 的实测数据对 pal29和 rnningsen31、 和 pal 29模型进行了验证， 认为 pal 模型具有较高 的关联准确度。 石油乳状液的粘度关联预测模型要综合考 虑连续相体积、 分散相体积， 乳状液类型 （水包油 型还是油包水型） ， 剪切速率 （如果是非牛顿流体 的 ） ， 乳液颗粒的最大粒度和粒度分布， 乳化剂的 性质和浓度等多方面的问题， 但这样降导致预测 模型异常复杂， 而简单的模型却又难以达到精度 要求。 在这一对矛盾中寻求平衡是该方面今后工 作的努力方向。 2结语 文献报道了大量石油粘度关联预测模型， 然 而并非所有模型都能准确用来预测石油粘度。 有 的预测模型本身需要粘度数据来确定模型参数 或相互作用参数。由于缺乏基础数据， 也很难断 言某个模型的准确度和可靠性。 对于石油这么复 杂的体系，不可能建立普遍适用的粘度关联模 型。只有综合考虑石油的组成、 温度、 压力、 溶解 气、 石油的乳化状况、 水含量等因素， 并针对不同 场合， 分清主、 次要影响因素， 才能兼顾到适用范 围、 模型不繁琐便于计算和高准确性等各方面。 参 考 文 献 1abdel- latif aboul- seoud ， ha ssan m moharam a generalized viscosity correlation for undefined petroleum fractions j chemical engineering journal ， 1999 ， 72 ： 253- 256 2wenjun fang， qunfang leigeneralized correlation for predictingthekinematicviscosityofliquidpetroleum fractionsjfluid phase equilibria， 1999， 166： 125- 139 3takeshige wakabayashi viscosity correlation with specific gravity and molecular weight of crude oil fractionsjfuel， 1997， 76 （11） ： 1049- 1056 4hmmoharam， raai- mehaideb and mafahim， new correlation for predicting the viscosity of heavy petroleum fractionsjfuel， 1995， 74（12） ： 1776- 1779 5anaseri， t，mnikazar，samousavi dehghani， a correlation 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technology， beijing 102617 ） a b s t r a c t ：the correlation models of crude oil viscosity were reviewed. its influence factor was analyzedadvan- tage and deficiency of the models were compared. in the case of petroleum containing vast of wax or heavy frac- tions， such as resins and asphaltene，when non- newtonian behavior is evident，the following factor，such as com- position of the crude， temperature， pressure， dissolved gas， state of the crude emulsification， content of water etc， should be were taken into account for a accurate correlation k e y w o r d s ： viscosity； asphaltene； waxy oil； crude oil emulsion； oil reservoir； correlation model 22 peng luo， yangan gu effect of asphaltene content on the heavy oil viscosity at different temperatures， fuel， 2007， 86： 1069- 1078 23 pal， reffect of droplet size on the rheology of emulsions jaiche j.， 199642 （11） ： 3181 24 pal， rscalingofrelative viscosityofemulsionsjj. rheol.， 1997， 41： 141 25 marco afarah a，roberto coliveira b，jorge navaes 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