（油气储运工程专业论文）超临界co2用于稠油长距离输送的探索性研究.pdf

e x p l o r a t o r y r e s e a r c ho nt e c h n i q u e so fu s i n gc 0 2t o s u p e r c r i t i c a ld e l i v e rh e a v y o i l at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e - l im a n m a n s u p e r v i s o r ：p r o f l iy u x i n g c o l l e g eo fp i p e l i n ea n dc i v i le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：奎量量 日期：2 。l f 年乡月多。日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：邋 指导教师签名： 日期：2 0 1 1 年歹月3 0 日 日期：2 , 0 1 1 年s 月歹。日 摘要 稠油的粘度大，流动性差，对其进行管输困难很大。目前普遍采用的几种稠油输送 方法，都有各自的局限性。超临界c 0 2 和稠油互溶性强，c 0 2 溶解在稠油中可以减小稠 油分子间的作用力，破坏稠油内部的空间网络结构，因此溶解c 0 2 后稠油的粘度会显著 降低。采用超临晃c 0 2 对稠油进行降粘，进而实现稠油长距离管道输送，是一项全新的 稠油输送工艺，具有重要的意义。 本文对超临界c 0 2 和稠油的性质分别进行了研究，并采用实验手段和软件模拟对 c 0 2 在稠油中的溶解特性以及超临界c 0 2 稠油降粘特性进行了研究。结果表明，溶解 c 0 2 后稠油的粘度明显降低，降粘效果主要受到c 0 2 溶解度、温度和压力的影响。在本 文的实验范围内，温度为6 0 ，压力为1 4 m p a ，溶解度约为9 1 6s t dm 3 m 3 时，降粘效 果最好。软件模拟计算的c 0 2 溶解度以及饱和溶解c 0 2 后稠油的粘度变化与实验结果比 较接近，误差较小，具有一定的参考价值。同时，本文对国内外学者的研究成果进行筛 选和总结，确定了适用于实验油样的c 0 2 溶解度计算公式、饱和溶解c 0 2 后稠油的体积 系数计算公式以及粘度计算公式。 另外，本文采用软件对超临界c 0 2 用于稠油长距离输送的过程进行了模拟计算，得 到了超临界c 0 2 用于稠油输送的技术边界条件，并进行了相关经济性分析，具有一定的 前瞻意义。 关键词：稠油、c 0 2 、降粘、超临界、稠油输送 a b s t r a c t g e n e r a l l ys p e a k i n g ，i ti sv e r yd i f f i c u l tt ot r a n s p o r th e a v yo i lb e c a u s eo fi t sg r e a tv i s c o s i t y a n d p o o rm o b i l i t y t h e r ea r es e v e r a lm e t h o d st h a tc a nb eu s e d t ot r a n s p o r th e a v yo i l ，b u ta l lo f t h e mh a v es o m el i m i t a t i o n s s u p e r c r i t i c a lc 0 2a n dh e a v yo i la r es t r o n g l ym i s c i b l e c 0 2t h a t h a sd i s s o l v e di nh e a v yo i lc a nr e d u c et h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e no i lm o l e c u l e sa n dd a m a g et h e i n t e r n a ln e t w o r ks t r u c t u r eo fh e a v yo i l ，s ot h ev i s c o s i t yo fh e a v yo i lc a nb es i g n if i c a l l y r e d u c e da f t e rt h ed i s s o l u t i o no fc 0 2 i th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ou s es u p e r c r i t i c a lc 0 2t o r e d u c et h ev i s c o s i t yo fh e a v yo i la n dt h e nt or e l i z et h et r a n s p o r t a t i o no fh e a v yo i l t h i si sa n e w h e a v yo i lt r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e lt h en a t u r eo fs u p e r c r i t i c a lc 0 2a n dh e a v yo i lw e r es t u d i e d c 0 2 ss o l u b i l i t y i nh e a v yo i la n dt h ep r o p e r t i e so fr e d u c i n gt h et h ev i s c o s i t yo fh e a v yo i lw i t hc 0 2w e r e s t u d i e db ye x p e r t i m e n t a lm e a n sa n ds o f t w a r e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ev i s c o s i t yo fh e a v y o i ld e c r e a s e dd r a m a t i c a l l ya f t e rt h ed i s s o l u t i o no fc 0 2 i nt h i se x p e r i m e n t ，t h eb e s tr e s u l t a p p e a r e dw h e nt h et e m p e r a t u r ei s6 0 a n dt h ep r e s s u r ei s 14m p a t h es i m u l a t i o nr e s u l t s o fs o f t w a r ea r ec l o s et ot h o s eo ft h ee x p e r i m e n t ，a n dt h ee r r o ri ss m a l l s ot h er e s u l t so f s i m u l a t i o nh a v es o m er e f e r e n c ev a l u e s m e a n w h i l e ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h ed o m e s t i ca n d f o r e i g nr e s e a r c hr e s u l t st od e t e r m i n et h ea p p r o p r i a t ec a l c u l a t i o n a lf o r m u l a st h a tc a n b eu s e dt o c a l c u l a t et h es o l u b i l i t yo fc 0 2 ，t h ev o l u m ef a c t o r sa n dt h ev i s c o s i t yo fh e a v yo i ls a t u r a t e d w i t hc 0 2 i n a d d i t i o n ，t h ep r o c e s so fu s i n gs u p e r c r i t i c a lc 0 2t ot a n s p o r tt h eh e a v yo i l f o ra l o n g d i s t a n c ew a ss i m u l a t e db yu s i n gs o f t w a r e t h r o u g ht h es i m u l a i t o n ，t h i sp a p e rg i v e st h e b o u n d a r yc o n d i t i o n so fu s i n gs u p e r c r i t i c a lc 0 2t ot r a n s p o r th e a v yo i l f i n a l l y , t h er e l e v a n t e c o n o m i ca n a l y s i sw a sc a r r i e do u t ，w h i c hh a sc e r t a i nf o r w a r d - l o o k i n gs i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：h e a v yo i l ，c 0 2 ，c 0 2 ss o l u b i l i t y , r e d u c e t h e v i s c o s i t y , s u p e r c r i t i c a l ， t r a n s p o r t a t i o no fh e a v yo i l 目录 第一章前言1 1 1 课题的背景、目的及意义1 1 2 国内外稠油输送方法现状1 1 2 1 稠油加热输送一1 1 2 2 掺稀输送2 1 2 3 乳化降粘输送2 1 2 4 低粘液环输送2 1 2 5 稠油改质输送2 1 2 6 超声波处理输送技术3 1 2 7 超临界c 0 2 用于稠油输送的优越性3 1 3 本文的研究内容一4 1 4 技术路线4 第二章稠油与超临界c 0 2 的物理性质研究6 2 1 稠油的物理性质概述6 2 1 1 稠油的分类标准【5 1 6 2 1 2 稠油的粘温特性 6 , 3 3 1 6 2 1 3 稠油的流变特性 6 , 3 1 3 4 l 6 2 1 4 稠油高粘的实质一6 2 2 稠油流变性实验7 2 2 1 油样的预处理及测定方法7 2 2 2 实验油样的基本物性7 2 2 3 实验油样的流变特性7 2 2 4 实验油样的屈服应力9 2 2 5 实验油样的粘温特性1 0 2 3 超临界c 0 2 物理性质研究1 2 2 3 1 纯c 0 2 的性质12 2 3 2 超临界c 0 2 的性质1 6 2 4 本章小结l7 第三章c 0 2 在稠油中的溶解特性研究1 9 3 1c 0 2 在稠油中的溶解特性概述19 3 2c 0 2 在稠油中的溶解特性实验研究2 1 3 2 1 实验装置介绍2 1 3 2 2 实验方法2 2 3 2 3 溶解度测定2 2 3 2 3 溶解度计算公式一2 5 3 2 4 体积系数测定。2 7 3 2 5 体积系数计算公式2 9 3 3c 0 2 在稠油中的溶解度模拟计算3 0 3 3 1 原油蒸馏数据及粘温曲线3 0 3 3 2c 0 2 在稠油中的溶解度模拟。3l 3 4 模拟计算结果与实验结果对比3 3 3 5 本章小结3 5 第四章超临界c 0 2 稠油降粘特性研究3 6 4 1c 0 2 稠油降粘特性概述3 6 4 2 超临界c 0 2 稠油降粘特性实验研究3 7 4 2 1 实验装置说明3 7 4 2 2 实验方法3 8 4 2 3 溶解c 0 2 后稠油粘度测定3 8 4 2 4 实验结果与整理3 9 4 2 5c 0 2 溶解度对枯度的影响4 2 4 2 6 饱和压力对粘度的影响4 4 4 2 7 温度对粘度的影响4 5 4 3 饱和溶解c 0 2 稠油粘度计算公式4 6 4 4 超临界c 0 2 稠油降粘模拟计算5 0 4 4 1 模拟计算c 0 2 溶解度与粘度的关系5l 4 4 2 模拟计算饱和压力对粘度的影响5 2 4 4 3 模拟计算温度对粘度的影响5 4 4 5 模拟计算结果与实验结果对比5 5 4 6 本章小结5 8 第五章超临界c 0 2 用于稠油长距离输送的技术和经济性分析6 0 5 1 模拟计算条件6 0 5 21 0 0 k m 管线的模拟计算及结果分析6 1 5 2 1 管路乐降6 3 5 2 2 加热炉能晕消耗6 4 5 2 3 压能消耗6 5 5 2 4 运行成本6 6 5 3 不同长度的管路模拟计算对比7 0 5 4 掺稀加热输送与超临界c 0 2 降粘输送对比7 2 5 4 1 压降对比7 4 5 4 2 总能量损耗对比7 5 5 4 3 总运行费用对比7 6 5 4 4 两种输送方法压力温度随管线的变化7 7 5 5 加热输送和注c 0 2 输送的停输再启动7 9 5 6 本章小结8 0 结论与建议8 2 结论一8 2 建议8 3 参考文献。8 4 攻读硕士学位期间取得的学术成果。8 7 致谢8 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 1 1 课题的背景、目的及意义 稠油也叫做重油，通常是指相对密度大于o 9 2 的原油。稠油含轻质馏分较少，胶 质和沥青质含量较高，是一种成分复杂的混合物。稠油具有粘度大，密度高，流动性差 的特点。 在世界范围内，稠油的储量非常可观，约是己探明常规原油储量的6 倍【2 1 。我国也 具有丰富的稠油资源，约占全球总探明石油储量的1 5 0 0 , - 2 0 ，其中稠油储量最多的油 田有胜利油田、辽河油田以及克拉玛依油田等。由于稠油的粘度大，流动性差，对稠油 进行管输困难很多。随着稠油产量的不断增长，稠油的管输问题也越来越引起人们关注。 对稠油进行管道输送，首要问题是对稠油进行降粘。目前，稠油输送常用的方法主 要有加热输送、掺稀输送、低粘液环输送等，这些方法有各自的局限性。气驱采油技术 的兴起，使人们认识到某些气体在适当的条件下可以溶解在原油中，使原油粘度大幅度 降低【2 9 】。这就为稠油的管输提供了一种全新的思路。为了实现稠油更加经济可靠地输送， 本文对超临界c 0 2 稠油输送技术进行探索性研究，以便对稠油的管输提供新的思路和理 论依据。 1 2 国内外稠油输送方法现状 当今社会，能源的需求量越来越大，因此，世界各国都加大了对稠油的开采。而对 应稠油开采量的增加，对稠油的管输技术也提出了更高的要求。目前，普遍应用的稠油 输送技术主要有：加热输送、掺稀输送、乳化降粘输送等1 - 4 , 3 8 】。 1 2 1 稠, 由j n 热输送 稠油加热输送是利用稠油的粘温特性来实现稠油输送的方法，可分为热处理输送和 预加热输送。 热处理输送是在输送之前对稠油进行加热处理的输送方法。 预加热输送是通过采取相应措施使稠油保持较高温度输送的一种方法。这种输送方 法可以保证稠油在输送过程中粘度较低，因此，管路的摩阻损失也相对较小。目前，使 用同心管道、内管泵送热液环形空间输油等是较新的预加热技术。 加热输送是目前国内外稠油输送的主要方法，其优点是可以有效地减小管路摩阻损 失；其缺点是能耗高，经济损失大，占输量1 以上的被烧掉和损耗，另外当管线温度 第一章前言 较低时，容易发生凝管事故。管线启动时，要用替代油品预热管路；停输前，要用替代 油品置换掉管路中的稠油，以保证下次顺利启动。 1 2 2 掺稀输送 稠油掺稀输送是在稠油进入管道之前，将稀释介质一低粘液态碳氢化合物，如低粘 原油、液化石油气或石油产品等加入其中，使稠油粘度降低，然后进行输送的一种方法。 掺稀后的稠油粘度与掺稀量呈指数关系。在稀释比例和混合温度选择得当的情况下，基 本可以实现不加热输送。 目前掺稀输送多采用双管掺稀集输流程，稠油与稀释剂的相容性决定了掺稀量的大 小。 掺稀输送的优点是：不会发生凝管；可以直接利用常规的输送管道；稀释剂可以回 收。其缺点是：对稠油和稀油的油质产生影响，不利于二者的有效利用；需要保证稀油 来源。 1 2 3 乳化降粘输送 稠油乳化降粘输送主要是将稠油掺水，并加入化学添加剂形成水包油型乳状液进行 输送，到达目的地再对乳状液进行分离。这种输送方法可以大大降低稠油的表观粘度， 减小管线摩阻损失。 乳化降粘输送需要在稠油中加入至少1 0 1 6 的水和适量的乳化剂及表面活性 剂。这种输送方法要求形成的乳状液比较稳定，并具有良好的流动性，便于进行管道输 送，同时还要求容易破乳。对于含水率很低的外输油，不可能采用乳化降粘的输送方法。 1 2 4 低粘液环输送 低粘液环输送主要是向稠油中掺入一定量的低粘度不相容液体，控制流速在 o 8 4 1 3 m s 范围内，形成环状流来实现稠油输送的。此时，低粘度不相容液体充当了润 滑层的作用，降低了原油与管壁间的摩擦以及管壁附近油层间的相互剪切所造成的摩阻 损失。该输送方法可以显著地提高输油效率，且非常适用于流变性差的高粘高凝原油。 低粘液环输送的缺点是：容易形成混相。低粘液环输送的表观流速过大时，水膜会 遭到破坏而形成油包水型乳状液。一般来说，含水率在8 - - - 1 2 范围内时，管路压降会 达到最小，当含水率继续增大时，压降会比输送相同流量的纯水时高1 5 倍。 1 2 5 稠油改质输送 稠油改质输送是在原油长输管道的首站设置一套初步加工装置，采用催化裂化或高 2 中国石油大学( 华东) 硕l ：学位论文 温裂解的方法处理稠油，将其加工成轻质油品或进行脱蜡处理，然后进行输送的一种方 法。稠油改质输送可以将含碳数高的组分有选择的裂化变成轻质油小分子，使未发生裂 化的稠油组分稀释，降低稠油的粘度和凝固点，增大稠油蒸汽压，最终可实现稠油常温 输送。尽管这种输送方法技术前景看好，但是其成本太高。 1 2 6 超声波处理输送技术 超声波处理输送技术是利用超声波的空化及乳化作用来实现稠油输送的。空化作用 是指在超声波的作用下，液体内部某一区域会出现局部的暂时负压，进而产生非稳定状 态的气泡或空穴。当这些气泡或空穴突然闭合时，在局部小区域产生高温高压，再加上 空化产生的冲击波，使稠油分子中的c c 键遭到破坏，从而降低稠油粘度；乳化作用是 指一开始就存在于稠油中的气泡由于超声波的作用而发生震动，从而在气液界面上产 生较大的剪切应力，使原油乳化形成水包油乳状液，从而降低稠油粘度。 通过对以上几种常见稠油输送方式的介绍，对这几种输送方法的优缺点进行总结， 如表1 1 所示。 表1 1 常见稠油输送方式的特点 t a b l e l - 1c h a r a c t e r i s t i c so fh e a v yo i lt r a n s p o r t a t i o nm e t h o d s 方法作用方式特点主要问题 加热输送物理变化提高输油温度、降低粘度、节约动能 能耗大、适应性差、工艺复杂 热处理 物理变化改变稠油微粒的形态、结构、强度自控要求高，工程量及投资大 伴热保温物理变化维持输油温度及原油流动性热效率低，能耗投资大 添加稀释剂物理变化润湿管擘减阻或降低稠油大分子浓度需大量轻质油、成本高 添加减阻剂物理变化降低管壁表面的湍流摩阻成本高 催化裂化 化学变化使复杂大分子小型化、降低稠油粘度需要热驱动、催化剂选择难 1 2 7 超临界c 0 2 用于稠油输送的优越性 c 0 2 的临界点为( 7 3 8 m p a ，3 1 4 ) ，在临界点以上c 0 2 处于超临界状态，此时它 的粘度和扩散系数与气体接近，但是密度却与液体接近，可以很好地溶解在稠油中。c 0 2 溶解在稠油中，对稠油内部的空间网络结构造成一定破坏，并且由于c 0 2 分子进入稠油 分子间空隙，减弱了稠油分子间作用力，从而可以大幅度降低稠油的粘度【4 0 1 ，进而减小 管路摩阻损失，降低输送能耗。因此，可以将超临界c 0 2 视作一种降粘剂，与稠油混合 3 第一章前言 以实现稠油长距离输送。 与传统的稠油输送技术相比，超临界c 0 2 稠油降粘输送有诸多优点：c 0 2 来源广泛， 成本较低；对温度没有太高的要求，利于实现稠油低温输送；便于在稠油中分离，对稠 油的性质不会产生很大的影响等。 总之，超临界c 0 2 稠油降粘输送技术是一项创新的技术，有巨大的发展空间和优越 性。 1 3 本文的研究内容 本文的技术目标是利用超临界c 0 2 的高溶解扩散能力，探索利用超临界c 0 2 实现胜 利、塔河等油田稠油的管道输送，寻求解决稠油的集输处理难题的新方法。主要研究内 容有： ( 1 ) 超临界c 0 2 用于稠油输送物理模型的建立 综合考虑稠油流变性测试系统、管输模拟系统、环路伴热系统、压力控制系统、数 据采集系统的配置及输送工艺参数的控制，进行稠油管输模拟装置的建造，保证实验条 件与现场实际的相似性和实验过程的可操控性。 ( 2 ) 超临界c 0 2 在稠油中的溶解及降粘特性机理研究 研究在不同的压力温度条件下，c 0 2 与稠油的溶解度关系以及压力、温度、粘度等 因素对溶解性能的影响，得到稠油降粘的压力温度技术边界条件。 ( 3 ) 超临界c 0 2 用于稠油输送的实验研究及数学模型的建立 通过实验研究，对用超临界c 0 2 实现稠油输送技术进行实验研究和工艺参数的优 化，研究超临界c 0 2 对稠油流变性的影响规律，并建立采用该工艺进行稠油输送时稠油 粘度变化的数学模型。 ( 4 ) 对超临界c 0 2 稠油输送技术进行可行性分析 综合实验结论和数学模拟分析，探索超临界c 0 2 对稠油输送的适用范围，并对该输 送工艺进行技术可行性分析和经济性分析。 1 4 技术路线 本文采用实验和数学模型相结合的研究方法，对超临界c 0 2 用于稠油输送进行了探 索性分析，具体技术路线如下所示。 ( 1 ) 建立c 0 2 在稠油中的溶解特性研究实验装置，进行实验，分析c 0 2 在稠油中的 溶解特性以及影响c 0 2 溶解度的因素，并采用软件进行模拟计算，最终得到c 0 2 在稠油 4 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 中的溶解模型。 ( 2 ) 建立超临界c 0 2 的稠油降粘特性研究实验装置，进行实验，得到c 0 2 溶解度与 稠油粘度的关系，并采用软件进行模拟计算，最终得到c 0 2 溶解度与稠油粘度的粘温特 性模型。 ( 3 ) 使用软件对稠油输送过程进行模拟计算，得到超临界c 0 2 稠油降粘输送的技术 边界条件，并对其进行经济性分析。 5 第二章稠油j 超临界c 0 2 的物理性质研究 第二章稠油与超临界c 0 2 的物理性质研究 2 1 稠油的物理性质概述 稠油是一种成分复杂的混合物，其中轻馏分含量低，胶质、沥青质含量高。稠油粘 度大、密度大、凝固点高、流动性能较差。本课题主要内容是对超临界c 0 2 用于稠油输 送进行探索性研究。因此，对于本课题来说，充分了解稠油的性质至关重要。 2 1 1 稠油的分类标准1 5 】 我国的稠油粘度大，相对密度较小，胶质的含量高，而沥青质的含量低。 表2 - 1 稠油分类标准 t a b 】e 2 1v i s c o u so i lc l a s s i f i c a t i o ns t a n d a r d 籀 ：臻 i ；t h 匕：条f l ：卜的霸；l 笾j e 0 = i ；l l l 如：珏；ij 建卜i j 袍7t ；i l l 焉f ! ：。 2 1 2 稠油的粘温特性【6 ，3 3 】 稠油的粘度代表稠油流动时的内摩擦力，主要取决于稠油中各组分的分子结构和分 子之间的作用力，而宏观上温度对稠油粘度的影响很大，稠油的粘度随着温度的升高迅 速减小。粘度随温度变化的性质，称为粘温特性，了解稠油的粘温特性具有重要的意义。 2 1 3 稠油的流变特性1 6 , 3 1 3 4 】 稠油中胶质、沥青质含量高，轻馏分含量少，且含硫、氧、氮等元素化合物的含量 也较高，因而其粘度高、密度大。在反常点温度以下，稠油通常具有一定的屈服值，呈 现宾汉姆流体特性，但是随着温度的升高，稠油的非牛顿特性减弱，当温度到达一定程 度时，便转化为牛顿流体。 屈服值是指使胶凝体系产生流动所需的最小外加剪切应力值，它反映了原油中胶凝 结构强度的大小，表明流体具有一定的固体性质。屈服值不仅取决于原油内部结构，与 温度也有密切的关系。 2 1 4 稠油高粘的实质 6 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 稠油中蜡含量较低，胶质沥青质含量较高。对于稠油来说，在体系各种力的相互作 用下胶质沥青质分子所形成的大分子结构，是一种类似晏德福1 9 】等描述的由沥青质颗粒 缔合而成的巨型结构1 8 j 。 p f e i f f e r 和s a a l 1 0 1 最早提出的“沥青质物理模型”认为沥青质分子在氢键等的作用 下形成具有强极性核和弱极性壳的微粒。很多研究者发现沥青质在原油中呈多分散状 态，进而修正了p f e i f f e r 和s a a l 模型。d a v i d 等认为【l l 】“沥青质物理模型”中，沥青质 胶束实际上是非沥青质分子胶溶一个沥青质分子而形成的大分子。将沥青质胶束视为大 分子，也许是稠油高粘的实质所在【8 1 。 2 2 稠油流变性实验 2 2 1 油样的预处理及测定方法 在原油开采和储运过程中，由于层位变迁以及集输、储运等环节，原油的流动特性 会发生变化，有所差异。为了使油样具有相同的组成和相同的初始状态，保证室内实验 数据具有重现性和可比性，需要对油样进行预处理【6 】。 预处理的方法具体如下：将油样加热至8 0 ，恒温2 个小时，静置冷却至室温，并 放置于环境温度变化较小的地方，存放4 8 个小时以上。 凝点采用中国石油天然气行业标准s y t 0 5 4 1 - - 9 4 原油凝点测定法 6 1 进行测定。 油品的粘温特性和流变特性采用旋转流变仪进行测量。 2 2 2 实验油样的基本物性 本文实验所采用的稠油油样是胜利油田郑3 2 区块的稠油，该区块油藏的稠油属于 特稠油，其基本物性参数见表2 2 。 表2 - 2 实验油样基本物性 t a b l e 2 - 2 p r o p e r t i e so fe x p e r i m e n t a lo i l 2 0 。c 密度5 0 粘度胶质含量沥青质含量 油样 凝点( ) 硫含量“) ( g c m 3 )( m p a s ) ( )( ) 郑3 2 0 9 6 9 31 1 0 5 52 43 9 23 5 60 7 8 2 2 3 实验油样的流变特性 本文采用旋转流变仪对实验油样进行了流变性测量，测定稠油在不同温度、不同剪 切速率下的剪切应力，以便判断不同温度下稠油的流变模式。作出不同温度下实验油样 的流变曲线如图2 1 所示。 7 第二章稠油与超临界c 0 2 的物理性质研究 10152 02 53 03 54 04 55 0 剪切速率s 。1 图2 - 1 实验油样流变曲线 f i 9 2 - 1 c u r v eo fs h e a r i n gs t r e s s s h e a r i n gr a t eu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 由图2 1 可以看出，当温度逐渐升高时，实验油样流变曲线的斜率逐渐减小，这说 明稠油的流变性能随着温度的升高而变好。同时由图中可以看出，在4 5 c 时，油样流变 曲线的斜率随着剪切速率的增大而减小，此时油样呈现剪切稀释的特性，这说明稠油中 的沥青质大分子等结构随着剪切速率的增加而逐渐遭到破坏，从而表现在宏观上，油样 的表观粘度随着剪切速率的增加而减小；当温度在5 5 6 5 。c 范围内时，油样流变曲线接 近直线，且在剪切应力轴上有一定的截距，油样呈现宾汉姆流体特性；当温度升高到7 5 以上时，油样的流变曲线变成直线，且在剪切应力轴上的截距趋于零，此时油样逐渐 接近牛顿流体。 对图中不同温度下的流变曲线进行拟合，得到实验油样在不同温度下的流变方程。 具体如表2 3 所示。 表2 - 3 不同温度下油样流变方程 t a b l e2 - 3 e q u a t i o no fs h e a r i n gs t r e s s - s h e a r i n gr a t eu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 温度“) 同归方程相关系数 4 5 f = 4 0 3 7 3 5 + 2 7 3 8 2 7 o 9 8 9 3 0 9 9 9 5 5 f = 1 6 9 0 0 3 + 1 0 0 2 1 6 9 y 0 9 9 9 6 5r = 0 7 8 6 7 3 + 4 1 8 18 5 y 0 9 9 8 7 5f = 2 18 2 2 y0 9 9 9 8 5 r = 1 2 3 9 8 1 7 0 9 9 9 由表2 3 可以看出，当温度在4 5 。c 时，经过拟合得到的实验油样的流变方程形式为 f = t y + k 7 ” ( 2 1 ) 式中，0 一屈服值，p a ； 8 加 加 o 芒r型s容 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 k 一稠度系数； 疗一流变行为指数。 由流变方程可以判断，当温度为4 5 c 时，实验油样呈现非牛顿流体的特性，表现为 屈服一假塑性流体特性，其中t y 可称为动屈服值，它是达到动平衡流动状态的原油保持 流动状态所需的最小剪切应力。 当温度在5 5 6 5 范围内时，经过拟合得到的实验油样的流变方程形式为 仁t b + 心7 ( 2 2 ) 式中，一屈服值，p a ； b - - b i n g h a m 粘度，p a s ； y 一剪切速率，s 。 由流变方程可以判断，当温度在5 5 6 5 范围内时，实验油样呈现非牛顿流体的特 性，表现为宾汉姆流体特性，剪切速率与剪切应力之间成线性关系，且流变曲线在剪切 应力轴上的截距不为零，此时截距被称作屈服值，即流体产生大于零的剪切速率所需的 最小剪切应力。 当温度大于7 5 。c 时，经过拟合得到的实验油样的流变方程形式为 弘 ( 2 3 ) 式中，一动力粘度，p a s 。 由流变方程可以判断，当温度大于7 5 时，实验油样呈现牛顿流体的特性，油样的 粘度不随剪切速率的变化而变化。此时，稠油中虽含有少量的沥青质、胶质的胶体粒子， 但浓度很低，且处在高度分散状态，可以看作是很细的细分散体系，油样的流变性服从 牛顿内摩擦定律。 2 2 4 实验油样的屈服应力 本文对郑3 2 区块稠油油样的屈服值进行了测试，得到屈服值与温度的关系曲线如 图2 2 所示。 9 第二章稠油与超临界c 0 2 的物理性质研究 霹 1 山 g 3 口 唾 0 1 2 03 04 000 温度 图2 2油样屈服应力与温度关系曲线 f i 9 2 - 2c u r v eo fy i e l ds t r e s s - t e m p e r a t u r e 由图2 2 可以看出，实验油样的屈服值随着温度的升高而减小。温度较低时，屈服 值较大，说明油品内部存在稳定的空间网络结构；当温度较高时，油品内部空间网络结 构遭到破坏，从而在宏观上表现为屈服值变小，流动性能变好。 用式( 2 4 ) 来拟合屈服值与温度的关系： l g r y = 彳一b 丁 ( 2 4 ) 式中，f 。一屈服值，p a ； 丁一温度，。 通过回归分析得到实验油样的屈服值与温度的关系式： l gr y2 2 0 2 0 9 4 一o 0 3 2 41 丁 ( 2 5 ) 2 2 5 实验油样的粘温特性 粘度是储存和管输原油工艺设计中不可缺少的基础物性参数，是评价原油和油品流 动性能的重要指标1 6 , 3 0 1 。原油粘度受油品的组成影响很大，同时与温度的关系非常密切， 通常采用粘温曲线来直观地表示原油的粘度随温度的变化关系。 本文使用旋转流变仪对实验油样进行粘温性质的测定，具体结果如表2 - 4 所示。 表2 - 4 不同剪切速率下的粘温数据 t a b l e2 - 4s h e e to f v i s c o s i t yv s t e m p e r a t u r e 一 2 03 04 05 0 温度( ) 6 0 5 2 2 34 8 9 1 64 7 8 3 94 6 8 7 6 l o 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 表2 4 ( 续) t a b l e2 - 4 ( c o n t i n u e d ) 一 2 03 04 05 0 温度“) 7 0 2 4 5 6 52 3 9 2 12 2 9 5 92 1 8 4 1 8 0 1 2 6 3 41 2 8 6 51 2 7 7 41 2 6 9 3 8 5 9 5 8 99 4 4 5 39 5 0 79 5 4 2 3 9 0 7 3 8 57 2 9 3 57 3 77 2 5 1 9 5 5 7 8 35 6 9 5 45 6 5 4 25 7 1 6 1 0 0 4 5 4 5 4 6 8 9 4 5 2 1 4 4 5 7 8 将表2 4 的数据进行整理，得到不同剪切速率下实验油样的粘温曲线如图2 3 所示。 7 01 温度 图2 3 不同剪切速率下的粘温曲线 f i 9 2 - - 3 c u r v eo f v i s c o s i t y - - t e m p e r a t u r eu n d e rd i f f e r e n ts h e a r i n gr a t e 由图2 3 可以看出，油样的粘度随着温度的升高而减小。在温度较低时，随着温度 的升高，油样粘度迅速减小；当温度升高至7 5 时，油样粘度的减小随温度的升高而逐 渐变缓。这是因为温度较低时，稠油内部存在大量的稳定的空间网络结构，随着温度的 升高，这些网络结构遭到破坏，表现为油品粘度随温度升高迅速减小；当温度继续升高 时，尽管稠油内部仍然含有少量胶质沥青质的胶体粒子，但是浓度已经大大降低，且处 在高度分散状态，此时温度的升高对稠油内部结构的影响减小，表现为油品粘度的减小 随温度的升高而逐渐变缓。 同时可以看出，当温度较低时，油样的粘度随着剪切速率的增大而减小。这是因为 在较低的温度情况下，剪切速率越大，油品内部网络结构遭受的破坏程度越大，因此， 在温度较低时，油品的粘度会随着剪切速率的增大而减小；当温度升高至7 5 以上时， 由前面的流变模式分析可以得到，油品表现为牛顿流体特性，此时油品的粘度与剪切速 1 1 哪 姗 舢 姗 姗 伽 o s芒剖据 第一二章稠油与超临界c 0 2 的物理性质研究 率无关。 在牛顿流体的温度范围内，原油粘度是温度的单一函数，通常采用粘温方程来描述 粘度随温度的变化，具体如式( 2 6 ) ： i g p 2a - b t ( 2 6 ) 式中，a ，b 为大于零的常数； 丁一温度，。 对实验数据进行回归分析，为了提高精度和准确性，每个测量温度分别取剪切速率 为2 0 s 一、3 0 s 一、4 0 s 一、5 0 s 1 时对应粘度的算术平均值作为该温度下油品的粘度，其值与 各剪切速率所对应的粘度相对误差在3 以内。得到牛顿流体范围内实验油样的粘温方 程为： l g , u = 4 8 7 1 2 5 0 0 2 2 2 t ( 2 7 ) 回归得到的粘温方程曲线与实验数据的关系如图2 - 4 所示。 髂1 温度 图2 4 实验油样粘温方程曲线 f i 9 2 4 c u r v eo fv i s c o s i t y t e m p e r a t u r e 由图2 4 可以看出，回归后的粘温方程与实验数据很好地吻合。 2 3 超临界c 0 2 物理性质研究 2 3 1 纯c 0 2 的性质 ( 1 ) c 0